采煤工艺对工作面围岩控制的影响分析

阎 鹏

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁033602）

我国煤层储量及产量均居世界前列，其厚煤层在我国煤炭储量中占据50%左右。因此，厚煤层的开采技术将从很大程度上决定我国煤炭综采工作面的开采能力。针对中厚煤层而言，可采用侧采煤工艺包括有综采、综放开采以及大采高综采。目前，鉴于大采高综采工艺具有回采工艺简单、煤炭回收率高等优势，被广泛应用于我省绝大数煤矿中。而且，随着大采高综采工艺的不断成熟，国内采煤工艺已从综放开采转向大采高综采工艺[1]。在采煤工艺转变过程中，由于两种采煤工艺矿压显现规律以及支架载荷分布等差异较大，导致大采高工艺的应用范围还未达到预期。本文将着重分析综放开采工艺和大采高综采工艺对工作面围岩控制特性的影响，为大采高综采工艺的推广应用奠定了基础。

1 覆岩结构特征对比

实践表明，工作面地质、水文条件相同的情况下，不同采煤工艺下工作面的围岩特性区别很大。

1.1 大采高工作面覆岩平衡结构研究

煤体开采出来后，工作面上方的直接顶垮落至采空区，导致直接顶上方的老顶也发生垮落至煤矸石的底层，最终形成一个相对平衡的岩板。由于基于大采高工艺一次采煤高度较高，导致其采空区所需直接顶的厚度也随之增加，甚至老顶也随着直接顶垮落，充当直接顶的角色[2]。基于大采高采煤工艺的采场小结构具有如下特征：

1）直接顶厚度与一次性采高成比例增加。当采高大于4 m时，其直接顶厚度大于15 cm。随着采高的增加，由于老顶失稳的可能性增大导致直接顶增大。

2）老顶可能在较高层位形成“砌体梁”的结构，从而对工作面液压支架的局部压力增大，该局部压力周期性作用于液压支架的局部位置。

3）直接顶垮落分布的角度一般在50°～80°之间。

1.2 综放开采工艺工作面覆岩平衡结构研究

综放开采工艺所形成的采场主要结构为大变形梁的形式。大变形梁形式覆岩机构的稳定性取决于顶煤的特性。顶煤作为传递直接顶、老顶压力至液压支架的中间介质，其载荷传递取决于顶煤的承载极限。如果开采过程中顶煤已遭到破坏，则其不能够承担传递载荷的任务，此时工作面液压支架不会受到老顶运动的影响[3]。如果顶煤在开采中未遭到破坏，则工作面液压支架所承受的载荷取决于顶煤的强度。

2 工作面来压特征对比

经对大采高采煤工艺和综放开采工艺工作面来压特征对比，情况具体如表1所示。

表1 不同采煤工艺工作面来压特征

如表1所示，大采高采煤工艺和综放开采工艺工作面的来压特征具体分析如下：

1）大采高采煤工艺的直接顶初次垮落步距和老顶周期性垮落步距均大于综放开采工艺的指标。煤炭开采期间，在老顶未发生垮落时，直接顶的初次垮落步距取决于工作面的推进速度和工作面液压支架的初撑力[4]。不同的是，大采高采煤工艺液压支架的初撑力能够对顶板进行有效控制，而采用综放采煤工艺时常会由于初撑力不足而导致顶板下沉加速的事故发生。

2）大采高采煤工艺老顶初次垮落步距与综放开采工艺的指标。大采高采煤工艺对老顶初次垮落步距的影响不大，其主要决定性因素为对关键层的控制效果。

3）大采高采煤工艺老顶初次来压较为强烈，而综放采煤工艺老顶来压较为缓和。

3 支架载荷对比

本文对采用不同采煤工艺工作面液压支架的载荷情况进行对比。其中综放开采工艺工作面所采用液压支架为四柱式液压支架，该液压支架的额定工作阻力和额定初撑力分别为4 950 kN和3 958 kN；大采高采煤工艺工作面所采用的液压支架类型为两柱式，该液压支架的额定工作阻力和额定初撑力分别为12 000 kN和7 917 kN。不同采煤工艺工作面液压支架的载荷对比如表2所示。

表2 不同采煤工艺液压支架载荷对比

大采高采煤工艺和综放开采工艺工作面液压支架载荷对比具体分析如下：

1）大采高采煤工艺工作面液压支架的实测工作阻力和初撑力均远大于综放采煤工艺工作面液压支架的对应指标。

2）大采高采煤工艺液压支架中部和两端的载荷差值较小，而综放开采工艺液压支架中部和两端的载荷差值较大，即说明综放开采工艺液压支架的载荷波动较大，导致液压支架受力不平衡。

3）大采高采煤工艺液压支架的柱比值接近于1，说明此工艺下液压支架两个支柱的受力相对均衡，稳定性较好；而综放开采工艺液压支架的柱比值为1.3，说明此工艺下液压支架的四个支柱受力不平衡，导致液压支架的稳定性较差。综放采煤工艺液压支架稳定性较差的原因主要包括：液压支架的初撑力偏低，顶煤破碎并液压支架强漏空，导致液压支架前面两个支柱的载荷大于后面两个支柱的载荷；紧接着放煤操作完成后，液压支架后面两个支护的载荷瞬间降低[5]。

大采高采煤工艺工作面直接顶的厚度较大，具有较好的载荷传递性能，从而导致大采高采煤工艺工作面液压支架的载荷较大；而综放采煤工艺工作面直接顶的煤层，其载荷传递性能较差，刚性较小，导致该采煤工艺下工作面液压支架的载荷较小。

4 结语

综采工作面的采煤效率除了与综采设备的能力相关外，还与其所采用的采煤工艺相关。不同的采煤工艺对工作面围岩的影响不同。因此，熟悉掌握不同采煤工艺直接影响工作面的围岩特性，对采煤工艺的灵活应用具有指导意义。现正处于综采开采工艺向大采高采煤工艺过渡的阶段，通过对二者开采工艺下工作面围岩特性分析，为大采高采煤工艺的进一步推动应用奠定了基础。