大海则矿超大采高综采煤层及围岩强度适应性分析

文/杨国强

大海则矿超大采高综采煤层及围岩强度适应性分析

文/杨国强

近年来，随着综采设备制造技术的飞速发展，综采设备走向重型化、强力化和自动化，使设备的可靠性得到保证，有力地推动了大采高综采技术的发展，带来了新一轮采煤技术的革命。目前，部分条件好的矿区已经开始探索采用8.0～8.5m大采高综采技术的可行性。但对于大采高深部开采矿井，煤壁的稳定性是保证采煤方法成功的核心因素。本文通过应用实验室试验、理论分析、工程类比与数值模拟相结合的方法，分析了大海则矿2#煤层超大采高条件下的煤层及围岩强度适应性，为后续合理采煤方法的选择及设备选型配套奠定了基础。

一、煤岩结构及力学性质分析

1.煤岩结构分析

现场采集2#煤层直接顶、煤层和直接底煤，进行微结构分析。2#煤直接顶以泥岩、粉砂质泥岩为主，粘土矿物为岩石主体，内含泥砾结构多呈扁平体状，大小不一，大体与层面平行，基本做到了随采随冒。

2#煤层次生裂隙较发育，易沿层面裂开，由于粘土矿物相对较多，且夹矸为粉砂-泥状结构，大体垂直层面分布，使得煤层更容易产生离析，进而导致片帮。2#煤层直接底以原生泥砾为主，粉砂岩老底粘土矿物含量达70%，基本上能保证支架的快速拉移。但部分区域泥岩直接底粘土矿物含量达42%，需防止遇水软化，造成底鼓。

2.煤岩物理力学分析

采集新揭露煤样，分别测试煤样的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、变角剪强度、粘结力和内摩擦角。从抗压强度看，最大值15.98MPa，最小值8.76MPa，平均值12.99MPa，属于软煤。在超大采高条件下，需防止煤壁片帮冒顶甚至灾变的风险，后期需进行详尽的煤壁稳定性分析，并在煤层充分揭露后，补做充足的煤岩物理力学测试。

二、煤层顶底板强度分析

1.顶底板岩性分析

井田所属2#煤层厚度4.41～10.97m，平均厚度6.32m。将2#煤层与其它条件大采高矿井类比分析。一方面，大海则2#煤层顶板主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主，能够做到随采随冒，2#煤层顶板的及时垮落能在一定程度上减缓支架的载荷和煤壁压力，防治片帮和冒顶。另一方面，如果顶板完整度不好，架间容易冒落，伤人。目前来看，顶板强度能够满足要求，且2#煤层底板以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，粉砂岩的比例较高，强度中等，有利于支架的快速推移。煤层顶底板条件较好，能满足控顶和支架的快速推移。

2.支架底座稳定性分析

底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压。为此，采用专业数值分析软件，依据现场测得允许底板比压值作为底座的极限值并建立支架对底板的受力分析模型。

通过支架对底板受力分析可以看出，底座中部下方的底板受力最大，变形也最为明显，约9mm。底座前端下方底板受力不大，变形较不明显。数值模拟结果对比工作面现场底板比压测定结果可知，支架在正常工作范围内施加给底板的作用力不足以使其破坏。因此，支架底板最小比压需要选择大于0.92。同时，大海则矿回采过程中可能会出现涌水量较大情况，且煤层底板自身遇水泥化后强度急剧降低，这将给工作面顶板管理、支架移架等带来不利影响。

三、煤层强度适应性分析

1.煤壁稳定性分析

针对2#煤层的特定条件，其核心因素是煤层强度和裂隙发育程度，通过探水钻孔的实际钻进表明，煤体裂隙不发育。因此，煤层强度对能否采用超大采高综采起决定作用。回采工作面煤壁若不考虑护帮，煤壁暴露后，在岩层垂直支承压力作用下将发生近似单轴压缩破坏，其实质是压拉型脆性破坏，可近似按单轴破坏条件考虑。压拉破坏的条件为：

式中，km为压拉破坏指数；σz为煤体垂直应力，MPa；Rc为煤体单轴抗压强度，MPa；τ0为煤体抗剪粘结强度，MPa；φ为煤体内摩擦角。

计算得出2#煤层压拉破坏指数为0.94，尚不足以造成破坏，但回采过程中必然产生超前应力集中，极易发生片帮。结合大采高工作面煤壁在超前支承压力作用下往往已发生塑性破坏情况，因此，建立平面剪切滑动破坏模型，其临界稳定高度为：

式中，Hcr为采场临界高度，m；C为岩体内聚力，MPa；γ为岩体体积力，kN/m3；φt为剪切滑动体的速度矢量与滑动面的夹角。将2#煤层的参数代入计算，得到Hcr与φt的关系。

由于φt参数较难确定，若割煤高度达到6.9m，则φt达到70.6°。通过数值模拟分析得到速度矢量与煤壁夹角为61°～68°，φt按61°考虑，Hcr为4.56m。即临界稳定高度为4.56m，其上部分的煤壁容易发生煤壁片帮，为实现顺利回采，护帮高度至少达到2.4m，超大采高综采支架一般采用三级护帮，护帮总长度可达3500mm，满足护帮要求。

2.煤壁片帮强度分析

通过实验和分析得出，煤壁片帮规模和支承压力分布情况，7m割煤高度时煤壁相对稳定高度在4.5m左右，该范围内发生轻微片帮，片帮深度在0.5m以内；4m割煤高度下仅在煤壁发生轻微片帮，片帮规模较小。7m割煤高度时超前支承压力的峰值区域在工作面煤壁前方5m处，割煤高度4m时，支承压力峰值区域在工作面煤壁前方2m处。表明在实际生产过程中应加强对4.5m以上部分煤壁的加固，并采取有针对性的措施，确保超大采高综采的顺利实现。

四、结论

1.根据煤层及顶底板围岩微观组分及结构分析，大海则2#煤层顶板主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主，能够做到随采随冒；2#煤层底板为粉砂岩的占比较高，强度中等，有利于支架的快速推移，但井田局部区域泥岩组分含量较高，需防止底鼓危险。

2.分析得到深部超大采高综采成功的关键因素为煤壁的稳定性，其核心是煤层强度和裂隙发育程度，2#煤层强度偏低，属于软煤，工作面开采时需采取足够的防片帮措施。

3.理论分析表明，2#煤层采用超大采高综采预计会发生煤壁片帮，但限定于煤壁4.56m以上区域，该位置需要采取护帮等措施，数值分析结果也表明，2#煤层煤体稳定高度在4.5m左右，其上部分容易片帮，片帮深度可达1m，片帮区域会呈现三角形整体滑落状态破坏。

4.综合分析表明，2#煤层若采用超大采高综采，支架护帮长度应在2.4m及以上，并需采取局部化学加固、工作面快速推移等综合措施，以利于工作面的安全、高效开采。

（作者单位：中煤陕西榆林能源化工有限公司）

（责任编辑：周琼）