长壁厚煤层开采围岩控制的研究

韩文如

摘 要：有效的围岩控制是实现煤矿井下安全开采的前提。本文针对LTCC和SPLL工作面开发了相应的围岩系统。考虑煤层刚度、顶板岩层和液压支架的作用，提出了顶板结构与长壁工作面同时平衡的条件。长壁工作面安全系数定义为煤壁面极限承载力与实际加在煤壁面上的荷载之比。分析了煤体强度、煤体刚度、顶板刚度、液压支架刚度等因素对顶板结构的影响以及顶板结构的运动。最后，确定了控制长壁工作面稳定性的关键因素，提高了长壁工作面和超细粒级联工作面围岩控制效果。

关键词：长壁厚煤层;围岩控制

1 背景

我国煤炭开采的集中度正逐步向西部地区转移，新形成的矿区存在大量厚煤層。因此，与此类厚煤层开采相关的围岩控制问题将成为地下开采相关研究的重点。我国厚煤层开采方法主要有单道大高度长壁开采法（SPLL）和长壁放顶煤开采法（LTCC）两种。两种方法均可达到一次全厚煤层开挖的目的。SPLL采矿得益于相关设备开发水平的提高。大型液压支架和大功率采煤机，保证支架的保护高度和剪切煤的高度与煤的厚度一致。LTCC采矿得益于采矿技术优势。这种开采方法将厚煤层划分为两个亚层。长壁工作面一般安装在底板，顶煤在采矿作业引起的支座应力作用下发生破坏，出现溶洞。因此，在输送剪切煤的液压支架前面有一个链式输送机，在垮落顶煤的液压支架尾部有一个链式输送机。SPLL法和LTCC法都实现了厚煤层的一次回采[1-2]。

2 采场围岩结构系统模型

实践表明，屋内墙壁加筋过程中经常出现肋片剥落现象。这意味着屋顶之间有着密切的关系结构及煤壁稳定性。为了分析LTCC工作面和SPLL工作面常见的肋片剥落现象，有必要建立该类工作面围岩系统模型。系统模型由顶板[3]、煤壁和液压支架组成。根据弹性地基梁理论，顶板的破坏线位于煤层前壁，顶板破坏后形成voussoir梁结构。平衡结构作用于采空区的煤壁、支架和矸石上。LTCC面和SPLL面主要顶板破裂后形成的围岩实际结构如图1a和图1c所示。在顶煤工作面，采出的煤层厚度通常大于7 m。由于生产空间大，低层顶板岩层不能形成平衡结构，周期性地以悬臂梁的形式断裂。屋面较高的岩层形成了voussoir梁结构。理论分析表明，悬臂结构内的硬岩层对煤壁和液压支架的稳定性影响最大。因此，在对放顶煤工作面围岩稳定性进行系统分析时，将形成悬臂结构的坚硬岩层视为顶板。在大采高工作面，切割高度通常小于7米，生产空间相对较小。如果靠近煤层的顶板岩层中含有坚硬的岩石，破碎后可形成稳定的voussoir梁结构，作为顶板的主体。在两种采场中，覆岩层破碎后，voussoir梁结构的后铰支点由采空区矸石支撑，前铰支点由煤层围岩和支护支撑，以保证顶板结构的稳定性。

为了简化，在下一节进行力学分析时，采用不同刚度的弹性弹簧代替长壁工作面前原煤、支架上方破顶煤、直接顶板、液压支架提供的支护效果。如图1b所示，在LTCC工作面中，代替长壁工作面前原煤作用的弹簧刚度记为ki，而长壁工作面后，煤刚度记为kb。液压支架的刚度设为ks。在SPLL工作面，如图1d所示，支架上方不存在顶煤。考虑直接顶的支护作用，用刚度为K r的弹簧代替直接顶的支护作用来保持voussoir梁结构的平衡。注意，在放顶煤采场，水力支架上方的顶煤裂隙发育充分。与长壁工作面前缘原煤相比，后缘的煤刚度和强度明显降低。然而，在大采高采场，直接顶板在液压支架上方保持相对完整。与工作面前直接顶板相比，长壁工作面后直接顶板的刚度和强度基本保持不变。此外，为了便于分析，考虑直接顶板的刚度和强度与LTCC工作面煤层的刚度和强度相同。

3 结论

①采矿作业引起煤壁上部顶板移动和应力集中，导致上肋剥落。下肋剥落是由于水平应力和底鼓引起的煤壁下部应力集中引起的。煤层中已有裂缝的分布对煤层破坏后落煤的大小和分布有显著影响;②建立了LTCC工作面和SPLL工作面围岩系统模式。本文采用能量法对LTCC工作面围岩稳定性进行了分析，基于voussoir梁理论对SPLL工作面稳定性进行了系统分析。得到了保持围岩系统稳定所需的煤壁支护力和液压支护力。与常规长壁工作面相比，LTCC工作面桥台峰值应力较小，但影响范围较大。随着开采高度的增加，SPLL工作面对应的峰值和影响范围增大;③煤壁安全系数定义为煤壁极限承载力和作用于煤壁的实际顶板压力。在LTCC工作面，提高煤壁强度、煤刚度和液压支架刚度以及顶煤破坏程度都有利于提高煤壁的稳定性。安全煤壁系数与煤体强度、支护刚度和顶板主砌块在SPLL工作面旋转程度成正比。

参考文献：

[1]牛少抑.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[2]张小强.厚煤层残煤复采采场围岩控制理论及其可采性评价研究[D].太原：太原理工大学，2015.

[3]佚名.厚煤层快速回采切顶卸压无煤柱自成巷工程试验[J].岩土力学，2018（1）：254-264.