不同采煤工艺对围岩控制的影响分析

曹黎宏

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西 临汾 042100）

据统计表明，我国煤炭储量在全球范围内处前列，而且国内厚煤层的储量占据所有煤层的接近50%。针对厚煤层的开采如何实现安全、高效、合理的开采对于保证煤矿的生产效率和生产能力具有重要意义。目前，针对我国煤层、地质条件可适用的采煤工艺包括有分层综合机械化开采、综放开采以及大采高综采。近年来，随着大采高综采工艺的不断成熟，国内许多矿井所采用的采煤工艺正在从综放开采到大采高开采转型[1]。而对于综放开采和大采高综合而言，二者在工作面液压支架载荷以及顶板控制方面存在较大的差异。因此，开展综放开采和大采高综采两种工艺下的矿压显现规律的研究意义重大。

1 工程概况

以山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司5401 综采工作面和1405 综采工作面为例开展研究，具体对两个综采工作面的矿压显现规律进行对比分析。首先，对两个综采工作面的地质条件及开采条件进行概述。

1.1 5401 综采工作面工程概况

5401 综采工作面采用“三进两回”的形式对巷道进行布置，工作面巷道的断面形状为矩形，具体尺寸为5.0 m×3.8 m；该工作面所采用的支护方式以锚网支护为主，以锚索支护为辅。该综采工作面煤层的平均厚度为6.3 m，煤层的最大倾角为14°，最小倾角为1°，平均倾角为5°。5401 综采工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 5401 综采工作面顶底板情况

目前，该工作面采用走向长壁后退式采高综采工艺，采煤机对应的采煤高度为6 m，采用双向开采的方式。煤炭可推进工作面的长度为7.785 m。

1.2 1405 综采工作面工程概况

1405 综采工作面煤层的平均厚度为5.36 m，最大煤层倾角为-3°，最小煤层倾角为-10°，煤层平均倾角为－6°。1405 综采工作面的顶底板情况如表2 所示。

表2 1405 综采工作面顶底板情况

1405 综采工作面采用三巷的方式进行布置，其断面形状为矩形，具体尺寸为4.3 m×3.0 m；工作面的总的走向长度为538.6 m，其中倾斜工作面的长度为145.8 m。目前，该工作面所采用的采煤工艺为放顶煤一次采全高，其中采煤机的采煤高度为2.8 m，放顶煤高度为2.56 m。该采煤工艺下对应采煤机回采率为95%，放顶煤的回采率为80%；对应的综合回采率为88%。

2 采煤工艺对围岩控制的影响分析

针对不同采煤工艺下对综采工作面围岩的控制效果的对比分析，本文将从不同采煤工艺下对应工作面的覆岩结构特征、工作面来压特征、支架载荷、支撑压力以及煤壁稳定性几个层面进行综合分析[2]。

2.1 采煤工艺对工作面覆岩结构特征的影响

首先，从理论结构模型的层面对不同采煤工艺下对应综采工作面的覆岩结构的影响进行研究（如图1 所示）。

图1 不同采煤工艺下工作面覆岩结构模型对比

不同采煤工艺下对应综采工作面的覆岩结构模型之间的差异最直观的表现为工作面地表的沉降参数存在较大的差异[3]。就5401 和1405 综采工作面实际开采时地表的沉降参数进行对比并总结如下：

1）5401 综采工作面地表的最大下沉量为5 178 mm，而1405 综采工作面的最大下沉量为1 445 mm；对应的5401 综采工作面的最大下沉速度为277mm/d；而1405 在综采工作面的最大下沉速度为45 mm/d。

2）鉴于5401 工作面的采高远远大于1405 工作面，在实际开采中5401 工作面地表的移动量和移动的剧烈程度明显大于1405 工作面。

2.2 采煤工艺对工作面来压特征的影响

同样以本文所研究的两个综采工作面为例具体分析不同采煤工艺下工作面的来压特征进行对比，对比结果如表3 所示。

表3 5401 和1405 综采工作面来压特征影响

受采煤工艺对综采工作面来压特征存在差异的影响，在实际生产中5401 综采工作面的平均推进速度为6 m/d；1405 综采工作面的平均推进速度仅为1.8 m/d。总的来讲，大采高开采工艺下直接顶的初次垮落步距大于综放开采工艺；两采煤工艺下对应的老顶初次垮落步距几乎一致；大采高工艺下老顶的初次来压的剧烈程度远大于综放开采工艺下的初次来压。

2.3 采煤工艺对支架载荷的影响分析

目前，在实际生产中5401 综采工作面所配置液压支架为四柱式，该型液压支架的额定工作阻力为4 950 kN，额定初撑力为3 958 kN；1405 综采工作面所配置的液压支架为两柱式，该型液压支架的额定工作阻力为12 000 kN，额定初撑力为7 917 kN[4]。在实际开采过程中两种采煤工艺下对应的液压支架工作阻力特征如表4 所示。

表4 不同采煤工艺下液压支架工作阻力特征 kN

如表4 所示，大采高开采工艺下工作面顶板对液压支架的压力远大于1405 工作面所采用的综放工艺。导致上述现象的主要原因在于：大采高工艺下液压支架的直接传递介质为岩层，岩层的传递性较好导致支架在来压期间的载荷较大；而综放工艺下液压支架的直接传递介质为煤层，由于煤层的泄压能力优于岩层，其对应支架在来压期间的载荷较小[5]。

此外，在实际开采中5401 综采工作面煤壁片帮主要表现为三种形式，分别为全煤壁片帮、半煤壁片帮以及片帮并冒顶；而1405 综采工作面煤壁片帮的主要形式表现为拉裂破坏和剪切破坏。具体量化分析如下：

5401 综采工作面片帮深度大于600 mm 的占比为26%；而1405 综采工作面片帮深度大于600 mm的占比仅为11%。即，5401 综采工作面的片帮现象角1405 综采工作面严重。

3 结论

分层综采、大采高综采和综放开采为当前国内应用较多的开采工艺。对于不同采煤工艺在实际生产中对工作面的围岩控制产生不同的影响。本文以5410 综采工作面和1405 综采工作面为例对大采高综采和综放开采工艺下对工作面围岩控制的影响进行具体研究，并总结如下结论：

1）大采高工艺下对应工作面的老顶来压、支架载荷以及动载荷系数等均远大于综放开采工艺；

2）大采高工艺对应工作面的矿压显现规律角综放开采工艺显著；

3）大采高工艺和综放开采工艺下工作面的顶板冒顶以及片帮的主要形式存在一定的差异，需针对性的对顶板和两帮进行支护。