凉水井煤矿综采工作面初采初放顶板控制技术

武立飞,蔡明华

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西　神木　719300)



·技术经验·

凉水井煤矿综采工作面初采初放顶板控制技术

武立飞,蔡明华

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西神木719300)

针对凉水井煤矿42112工作面初采期间坚硬顶板难以垮落问题，综合采用了数值模拟、现场观测等方式，研究了该工作面初采期间采空区顶板内应力分布和塑性区分布变化特征，得出了基本顶断裂时初次来压步距。并针对初次来压可能造成的冲击危害，采用深孔爆破方式进行强制放顶。工程实践表明，研究结果与现场基本吻合，放顶效果良好，保证了综采工作面的初采期间安全回采，满足了正常生产需求。

浅埋煤层；顶板跨落；数值模拟；现场观测；应力分布；初次来压步距；强制放顶

凉水井煤矿位于陕西省神木县，其井田属于世界七大煤田之列的神府煤田，煤层稳定可靠，煤质优良，地质构造简单，埋深较浅，其煤层开采时的矿压显现特征往往区别于埋深较大的矿井，尤其在初采期间，较为坚硬的顶板不能及时垮落，随着初采工作面顶板跨距的增大，如不及时进行强制放顶往往形成采空区顶板大面积垮落。垮落所形成的冲击波对工作面人员和设备能够造成不可预测的灾害。因此，本文通过建立初采期间数值计算模型，分析了初采期间直接顶和基本顶内的应力分布变化规律和塑性破坏区分布规律，并现场采用深孔爆破强制放顶措施控制顶板，取得了良好的放顶效果。

1　工作面地质概况

凉水井煤矿42112综采工作面位于主采4-2煤层，位于延安组第二段顶部，煤层倾角为0°～3°，平均埋深为100 m，顶板基岩薄，上覆较厚的沙漠盖层，属于浅埋薄基岩类井田。工作面平均采高3.06 m，倾向长度310 m.南部为42111工作面采空区，北部为42113工作面实煤体区，工作面切眼东部为423盘区实体煤。整个工作面内无断层等地质构造，根据以往工作面开采经验，水平地应力对巷道和采场影响较小。该工作面的顶底板岩性见表1.

表1　42112工作面顶底板情况表

2　工作面初采期间顶板应力变化规律

2.1数值模型的建立

该工作面内煤层平均埋深100 m，平均采高3.06 m，面长为310 m，近水平。本文采用大型岩土类计算软件FLAC3D进行数值计算，将顶底板地质条件简化后，建立平面计算模型，见图1.模型的尺寸为210 m×1 m×90 m，模型的底部和两侧为位移固定边界条件，顶部施加大小为1.5 MPa、方向竖直向下的均布载荷，本构模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，各岩层的岩石力学参数见表2.计算过程中对模型初采空间进行分步开挖，模拟推采空间分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m时的顶板内应力和塑性区分布情况。

图1　数值计算模型图

岩型体积模量K/GPa剪切模量G/GPa内摩擦角f/(°)黏结力C/MPa抗拉强度上覆岩层3.032.16221.60.6基本顶6.415.21313.51.4直接顶4.053.16242.70.8煤层2.031.01201.81.0直接底4.883.78312.00.8基本底4.02.9303.21.2

2.2初采模拟结果分析

1) 不同推进长度顶板的应力分布。

根据材料力学理论，受到上方均布载荷作用的两端固支梁，随着梁长度的增加，中部拉应力逐渐增大，当拉应力超过抗拉强度时引起梁的破坏。直接顶内的应力分布见图2, 基本顶内的应力分布见图3.从图2可以看出，随着工作面的推进，采空区上方的悬顶面积逐渐增大，直接顶中部的拉应力逐渐增大，工作面推进20 m后基本稳定，稳定后的拉应力值为0.8 MPa左右，已经达到了直接顶的抗拉强度，但是从图3可以看出，在工作面推进度从20～30 m的过程中，采空区中部基本顶岩层内水平应力从压应力逐渐变为拉应力，且到50 m时达到最大，基本稳定在1.4 MPa，此时达到了基本顶的抗拉强度。

图2　直接顶内的应力分布图

图3　基本顶内的应力分布图

2) 不同推采长度的拉剪破坏区分布。

不同推进长度的拉剪破坏区分布见图4，从图4可以看出，在工作面推进到40 m时，拉剪破坏区已经贯穿直接顶，当工作面推进到50 m时，基本顶中部已经有一定程度的拉伸破坏。此时老顶开始断裂，顶板下沉量增大，工作面开始初次来压。

根据数值模拟应力分析及拉剪破坏区分布特征推断，42112工作面的初次来压出现在工作面推进至50 m左右时。根据凉水井煤矿已开采的工作面经验，类似地质条件下综采工作面的初次来压步距也在50～60 m，因此,模拟的结果与工程实践相吻合，其分析结果有一定的理论价值。

3　顶板控制措施及现场观测

3.1顶板控制措施

42112工作面倾向长度较大，为310 m，如果不采取有效的顶板管理措施，工作面出现初次来压前将会形成大面积的悬顶，初次来压期间顶板的大面积垮落会形成很强的冲击波，工作面设备和人员可能会遭受不可预测的灾害。工作面设备安装完毕后，在支架后方开切眼顶板采用深孔爆破强制放顶措施是及时有效的顶板管理方法，具体的施工方案如下:

图4　不同推进长度时顶板的塑性区分布图

深孔爆破钻孔布置图见图5.

图5　深孔爆破钻孔布置图

如图5所示，42112工作面长310 m，在工作面开切眼中布置52个深孔爆破钻孔，孔间距为6 m，成孔直径为92 mm，由于42112回风巷另一侧为42111工作面采空区，为便于42112回风巷初采期间顶板控制达到较好的爆破效果，1#～3#钻孔为正北倾向，4#～52#钻孔为正南倾向，钻孔的倾角都是45°，钻孔的垂深为6～17 m，同时，1#～6#钻孔为掏槽眼，7#～52#钻孔为辅助眼。爆破采用煤矿特许的水胶炸药和毫秒延期电雷管，PVC管装药，采用黄泥制作的炮泥封堵管口。分为3组起爆，首先是1#～6#掏槽眼起爆，然后是7#～29#辅助眼起爆，最后是30#～52#辅助眼起爆，3组之间单独连线，组内炮孔成串联式连线。

3.2现场观测

42112工作面采用ZY12000/20/40D液压支架，支架上安装北京天地玛珂公司的电液操作控制系统，且配套有支架顶板压力监控系统，能够很好地监测顶板的压力情况。强制放顶后直接顶破碎冒落，工作面推进20 m左右时，支架压力有所增大，工作面顶板局部出现淋水；工作面推进53 m时，采空区顶板开始出现大范围大块矸石的垮落，并伴随着强烈的岩爆声，部分支架压力达到40 MPa以上，工作面涌水量增大，达到600 m3/h以上，此时基本顶初次来压。基本顶初次来压期间工作面顶板没有出现大面积同时垮落现象，说明深孔爆破强制放顶措施方案合理，取得了较好的工程效果。

4　结　论

1) 通过建立数值计算模型，分析了42112工作面初采期间不同推进长度时采空区上方直接顶以及基本顶内的应力分布状态和塑性破坏区分布状态，得出基本顶的初次来压步距为50 m左右。

2) 为防止坚硬顶板的大范围跨落伤人，在工作面初采期间采取深孔爆破强制放顶措施。现场观测表明，顶板初次来压步距与研究结果基本吻合，且强制放顶方案合理，取得了较好的工程应用效果。

[1]张杰.浅埋煤层顶板深孔预爆破强制初放研究[J].采矿与安全工程学报,2012(3):339-343.

[2]李国华，任艳芳，徐天发，等.厚松散层浅埋煤层工作面矿压显现规律研究[J].煤炭工程，2013(1):76-78.

[3]刘团结.深孔预裂爆破研究—基于凉水井煤矿42101工作面强制放顶[J].技术与创新管理，2010,31(5):621-622，626.

[4]陈苏社.综采工作面超深孔爆破强制放顶技术研究[J].煤炭科学技术,2013,41(1):44-47.

[5]陈勇，郝胜鹏，陈延涛，等.带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(2):253-259.

Study on Initial Mining and Initial Roof Caving Control Technology of Fully Mechanized Mining Face in Liangshuijing Coal Mine

WU Lifei, CAI Minghua

The methods of numerical simulation and field observation is comprehensive used to research on the changing characteristics of stress distribution and plastic zone distribution of the goaf roof in the orking face during the primary mining. And the first weighting interval of main roof breakage is obtained. According to the possible impact damage caused by first weighting, adopts the method of deep hole blasting to force the hard roof collapse. Engineering practice shows that research results is consistent with the field observation. The engineering effect is perfect, and it not only guarantees the safe mining of the fully mechanized mining face, but also satisfies the requirements of normal production.

Shallow coal seam; Roof falling; Numerical simulation; Field observation; Stress distribution; First weighting interval; Forced roof caving

2016-05-17

武立飞(1989—)，男，河北石家庄人，2015年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，助理工程师，主要从事巷道围岩控制的研究工作

(E-mail)648421022@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)06-0023-04