采煤工艺参数对工作面围岩控制的影响分析

史留杰

(兰花科创玉溪煤矿，山西 晋城 048000)

引 言

一直以来，煤矿开采效率和安全性备受煤矿企业和作业人员的关注，由于我国煤炭资源分布区域相对较广，煤矿所属煤层、地质以及水文条件等各部相同，进而对采煤工艺和支护方案提出了不同的要求[1]。为保证综采工作面的安全生产，需根据工作面的地质、水文等条件确定最佳采煤工艺参数，并为其设计最佳支护方案。本文着重研究不同采煤工艺参数对巷道围岩的影响特性。

1 工程概况

某煤矿位于山西省，该煤矿南北走向距离为2.5 km，东西走向距离为2.7 km。经探测可知，该煤矿可开采的煤炭储量约为2亿t。该煤矿属于低瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量小于0.3 m3/t。该煤矿采用一井一面的布置方式，主要设备为连续采煤机，并配置有高阻力液压支架，目前工作面已实现了运输系统、支护锚喷化以及辅助运输胶轮化的全自动生产，并实现对工作面生产运行状态的远程监测和控制功能。该工作面的顶底板情况，如表1所示。

表1 XX工作面顶底板情况

经分析探测结果及实测数据可知：XX工作面的正常涌水量为12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，为工作面所配置排水系统的最大排水能力为45 m3/h。

2 采煤工艺参数对沿空留巷的影响

为充分掌握不同采煤工艺参数对沿空留巷的影响，采用UDEC软件对其中涉及到非介质节理问题进行分析，着重对沿空留巷位移以及应力变化规律进行分析，最终达到优化采煤机工艺参数的目的。根据表1中所述的工程概况建立相应的数值模拟模型，其中模型的尺寸为300 m×73.1 m，工作面采煤实际应用的巷道为矩形巷道，矩形巷道尺寸为5 m×3 m。最终在所建立的数值模拟模型中根据所监测到的数据对顶底板等参数进行设置[2]。

2.1 切顶卸压对巷道的影响

根据XX工作面顶底板的情况，初步设定切顶卸压的高度为7 m，并对具备切顶卸压和不具备切顶卸压模型在实际开采过程中巷道位移及盈利的变化情况进行对比分析[3]。仿真结果如下：

1) 当采用切顶卸压高度为7 m的采煤工艺时，巷道的应力集中位置位于左侧煤柱，且最大应力值为33 MPa；对应无切顶卸压模型在实际开采时应力集中位置同样位于巷道左侧煤柱，且最大应力值为37 MPa。得出：切顶卸压工艺可有效降低工作面巷道的应力集中现象。

2) 以巷道的顶板下沉量和左帮移近量分析切顶卸压对巷道变形的影响，仿真结果如第125页图1所示。

如图1所示，切顶卸压工艺能够有效抑制顶板和左帮的位移变化。具体表现为：切顶卸压工艺对应顶板的下沉量为22 cm，左帮移近量为26 cm；而非切顶卸压工艺对应顶板的下沉量可达49 cm，左帮移近量可达36 cm。

图1 切顶对巷道变形情况的影响

2.2 采煤高度对巷道的影响

不同采煤高度对巷道应力及位移变化的影响，采煤高度分别为1.5 m和3 m。经仿真分析得出如下结论：

1) 当采煤高度为1.5 m时，工作面顶板的垮落量为1.2 m；当采煤高度为3 m时，工作面顶板的垮落量为2.5 m。即，随着采煤高度的增加，工作面巷道顶板的压力越来越大，其对应垮落量越来越大。

2) 不同采煤高度对应工作面巷道的应力变化，如图2所示。

图2 不同采煤高度下对应巷道应力变化趋势

由之前研究可知，在开采过程中应力集中位置位于巷道左侧煤帮，故对左帮煤壁不同位置的应力值进行对比。如图2所示，当采高为1.5 m时应力最大位于左帮煤壁10 m的位置处，且最大应力值为27 MPa；当采高为3 m时应力最大位置位于左帮煤壁13 m的位置，且最大应力值为33 MPa。

综上所述，随着采煤高度的增加对应巷道顶板的压力不断增加，并且最大应力位置向工作面里走。因此，在满足工作面采煤效率的基础上确保采煤高度不应太大[4]。

2.3 切顶高度对巷道的影响

在不同切顶高度3.6 m、8 m、9.6 m、14.4 m时对应巷道应力及位移变化情况，仿真结果分析如下：

1)不同切顶高度对应巷道的最大应力值和应力位置，如表2所示。

表2 切顶高度对巷道应力值及位置的影响

如表2所示，随着切顶卸压采煤工艺切顶高度的增加，对应巷道的应力集中位置靠近左帮煤壁向里移动；且最大应力值不断减小，但其最大应力值变化不明显。

2) 不同切顶高度对应巷道及底板的变形量，如图3所示。

图3 不同切顶高度巷道的位移量变化

如图3所示，随着切顶高度的增加，巷道顶板和底板的变形均在减小；且当切顶高度大于10 m后，巷道顶板和底板的变形率减小。即可近似认为：当切顶高度大于10 m后，切顶高度对巷道位移变化几乎不影响。因此，应将切顶高度控制在8 m～10 m。

2.4 切顶角度对巷道的影响

在不同切顶角度0°、10°、20°时对应巷道应力及位移变化情况，仿真结果分析如下：

1) 不同切顶角度对应巷道的最大应力值和应力位置，如表3所示。

表3 切顶角度对巷道应力值及位置的影响

如表3所示，切顶角度对巷道最大应力值和应力集中位置的影响不大。

2) 不同切顶角度对应巷道及底板的变形量，如图4所示。

图4 不同切顶角度度巷道的位移量变化

如图4所示，随着切顶角度的增加，巷道顶板和底板的变形均在增加；且当切顶角度大于20°后，巷道顶板和底板的变形率增加。即可近似认为：当切顶高度小于20°时，切顶角度对巷道位移变化几乎不影响。因此，应将切顶高度控制在10°～20°[5]。

3 总结

在实际生产过程中，除了采用有效的支护手段可对工作面围岩控制效果进行影响外，实践表明，在不同采煤工艺下其对应工作面围岩控制效果各不相同，本文着重对采煤高度、切顶高度以及切顶角度等参数对工作面巷道的应力及变形影响特性进行分析，最终得出：XX工作面最佳采煤高度应设为1.5 m；最佳切顶高度应控制在8 m～10 m，最佳切顶角度应控制在10°～20°。