厚煤层综采面覆岩破坏及控制应用研究

2021-03-13赵勇

山东煤炭科技 2021年2期

赵勇

(中煤资源发展集团有限公司，北京 10013)

由于煤层的赋存及采面的快速推进，工作面来压规律也发生很大变化，采面覆岩的破坏程度增大，围岩的变形破坏进一步加大加深[1-2]。厚煤层开采可以最大限度地降低煤炭生产成本，提高生产效能。随着煤层的开挖，顶板覆岩的悬露范围逐渐增大，采面以及巷道围岩一定范围的来压强烈，工作面和巷道的支护难度增大[3-4]。以补连塔矿为研究背景，针对厚煤层综采覆岩破坏规律进行分析[5-6]，提出符合实际生产的采面覆岩控制及管理措施，提高工作面的生产效率，保障工作面的安全生产。

1 概况

补连塔煤矿煤层赋存深度186 m，煤层倾角为2°，属于近水平煤层，煤层厚度3.43～5.36 m，煤层的赋存及结构相对简单，工作面切眼长度300 m，连续推进长度2800 m。煤层底板中裂隙的发育程度相对较弱，煤层底板岩层的完整程度相对较高，具有较好的承载能力。工作面选用倾斜长壁大采高一次采全高后退式开采，全部垮落法管理顶板。由于煤层顶板岩性主要为砂岩和砂质泥岩且厚度较大，覆岩结构相对稳定，基于厚煤层一次采全高顶板支护实践经验，采面选用ZY11000/25/50 两柱式掩护型液压支架。采面平面图如图1。

图1 综采工作面平面图

2 厚煤层工作面矿压观测分析

通过对厚煤层综采面支架工作阻力进行实测发现，在回风顺槽一侧采面前方5 m 位置范围的支护阻力达到最大值，顶板围岩变形达到20 mm，而在运输顺槽一侧其支护阻力相对较小，顶板围岩变形为10 mm。在综采工作面连续推进阶段，采面的来压显现主要出现在采面中部位置到尾部位置范围，而在运输顺槽附近采面来压显现强度相对较小。在初始条件下采面支架阻力为1.1×104kN 时，顶板下沉量约为250 mm，峰值下沉量约为450 mm，片帮值为600～800 mm；当采面出现来压现象时，支架阻力从1.1×104kN 增加到1.2×104kN 后，顶板下沉量200～300 mm，煤壁片帮量400～500 mm。来压时，靠采空区侧位置的120#支架阻力最大，比其他支架平均值大1459 kN。通过上述支架阻力数据分析可得，在回风顺槽一侧距采面20 m 范围内将出现应力增高区，并随采面的连续推进，应力增高区的作用位置也会随采面推进而向前移动。

由于采面顶板覆岩的完整程度较高，采面初次来压步距为61.8 m，较大的来压步距需要对顶板覆岩进行预裂处理，使顶板破断并下沉充填采空区，降低采面支架以及巷道围岩的应力。当采面出现周期来压时，由于来压强度具有非均匀性和非同步性，根据现场分析可知，在采面中部区域范围内顶板覆岩的下沉较大，因此在采煤中部区域位置容易出现垮落和压架现象。

3 厚煤层大采高综采面的支护

3.1 提高工作面煤体围岩强度

随着工作面的连续推进，采场顶板中的应力增高区也随之不断地向前移，此时工作面前方煤体以及煤柱所受的应力作用增大进而逐渐出现破坏失稳，使其失去对顶板的支撑作用，因此要加强工作面前方煤体及煤柱的强度，一般采用固安特对煤体进行加固，并根据其扩散特性设计注孔间距及深度分别为4 m 和15 m，对工作面前方15 m 范围围岩及顶板实现有效控制。在操作过程中要注意，当煤体开始出现来压并产生少量裂隙时进行作业。

对煤层进行预加固处理后，在采煤推进过程中，随着煤壁应力增高并未出现明显破坏现象。

3.2 优化工作面围岩支护工艺

在回采过程中，顶板的及时支护对顶板管理起着非常重要的作用，随着空顶时间增加，其破坏程度增加，顶板管理越加困难。通常在末采作业需进行加网作业，主要操作在架间布设长8000 mm、直径17.8 mm 锚索，并采用直径22 mm 钢丝绳进行穿引，每隔两架进行一次穿钢丝绳，最后使用绞车托起顶板。通过改进作业方法，不仅提升作业质量和效率，还有效地降低了作业所需时间，并实现了对顶板及时有效的支护作用。支护工艺如图2。

图2 工作面围岩支护工艺图

为了保证工作面顶底板的完整性以及平整度，需要预先进行水平贯通标识作业，钻孔必须保证与刮板机高度相同，并每隔10 m 布设一个钻孔，使用装满白灰的PVC 管提供高度标识；其次在末采时必须及时地对顶板和围岩进行测量观测，及时调整采面采高；制定合理施工组织计划和调配计划，提高采面作业效率，减少顶板空顶时间。

4 顶板控制效果分析

通过上述方法对工作面顶板及围岩进行控制，并对巷道围岩运移进行实测发现采面端头前5 m 范围支护阻力最大，顶底板移近量20 mm/周，巷道顶板应力相对较小时的移近量10 mm/周。采面正常开采阶段，来压压力主要集中在采面中部到机尾段，支架额定工作阻力1.1×104kN 时，顶板下沉量为200～300 mm，最大下沉为400～500 mm，片帮值为600～800 mm，支架阻力从1.1×104kN 提高到1.2×104kN 后，来压时工作面顶板下沉量为200～300 mm，片帮量为400～500 mm。当工作面巷道紧相邻区段采空区，巷道超前20 m 的范围内将会承受相邻采空区的应力转移。