树儿里煤矿8206 综放面矿压观测及显现规律研究

2022-07-14高文龙

煤矿现代化 2022年4期

高文龙

（晋能控股地煤树儿里煤业有限公司，山西左云 037100）

0 引言

据统计，我国已探明的煤炭储量中，厚煤层储量占比44 %，且每年井工开采的煤炭资源中，有45 %以上来自厚煤层。目前综合机械化一次采全高的安全开采高度为7 m 左右，对于10 m 以上的煤层，综放是首选的开采方式。与一次采全高相比，综放开采产量高、成本低。但由于一次采煤高度的增加，综放工作面上覆岩层活动空间大，矿压显现剧烈，工作面片帮、冒顶发生机理高，瓦斯涌出量大，对生产造成了严重影响[1-3]。同煤集团综放开采煤层厚度达11.2 m，开展综放开采矿压观测及显现规律研究对实现煤矿安全生产具有重要意义。

1 工程概况

1.1 地质条件

树儿里煤矿8206 工作面所采煤层为19+22 号煤，煤层结构复杂，煤层最大厚度12.3 m，最小10.1 m，平均11.2 m，煤层倾角7.42°～10.65°，平均9.1°，普遍有3 层夹石，厚0.4～3.0 m。地面标高为+1 422～1 435 m，工作面标高+1 227～1 255 m，平均埋深188 m。煤层顶底板岩性如图1 所示。

图1 煤顶底板岩性

1.2 生产条件

8206 工作面采用单一走向长壁后退式采煤方法，综合机械化低位放顶煤开采的采煤工艺，工作面采用全部垮落法管理顶板。根据东盘区布置状况考虑，8206 工作面倾向长度为105 m，距东盘区回风巷留设50 m 保护煤柱，可采走向长度740 m。采煤机截深0.8 m，割煤高度为3.3 m，放煤厚度为7.9 m，采放比1∶2.39。工作面主要设备见表1。

表1 8206 工作面主要设备

液压支架分3 种：端头支架、过渡支架、中间架，主要的技术参数见表2。

表2 液压支架类型和参数

2 矿压观测及规律分析

2.1 观测内容及测站布置

2.1.1 观测内容

在工作面回采过程中，随时记录日推进度，以及推进过程中的支架工作阻力信息，同时采用钢板尺、钢卷尺等观测记录工作面回采过程中端面顶板冒顶片帮情况，具体包括端面顶板冒高、冒宽、冒长，冒落岩块的几何尺寸及煤壁片帮深度、长度，片帮类型等。支架工作阻力监测采用山东尤洛卡公司生产的KJ216 型自动在线监测系统。

2.1.2 测站布置

将工作面分为上、中、下三部分，对应的支架号为1-25 号、26-50 号和51-73 号，测站分别布置在15、35、55 号支架处，测站支架每天记录支架工作面阻力和片冒情况，其他支架主要记录片冒情况。

2.2 工作面初撑力统计

工作面开始回采后即对支架工作阻力进行观测，部分支架初撑力统计见表3。

由表3 可以看出，与额定初撑力相比，巷道中部支架的初撑力偏低，上部和下部支架初撑力普遍达到98 %以上，而中部35 号支架仅为94 %。支架初撑力低，容易导致支架对顶板的控制效果差，容易出现煤壁片帮、顶板冒落等严重问题。

表3 部分支架初撑力统计

2.3 工作面来压步距

通过记录工作面推进150 m 中的液压支架工作阻力变化和片冒情况，分析得出8206 工作面的来压步距结果见表4。

表4 工作面来压步距统计

由表4 可以看出，150 m 范围内8206 综放工作面共来压5 次。初次来压步距在35.1～38.3 m 之间，平均步距36.5 m，工作面上部首先来压，工作面中部来压步距最大。工作面上、中、下部周期来压几乎同步，来压步距相差较小，平均步距为23.7 m。

2.4 工作面片冒信息统计

由工作面片冒观测结果可以看出，8206 综放工作面上部片帮范围主要集中在0.5 m 以下，占比90%以上，没有发生大于1 m 的片帮情况。冒顶范围较小，绝大部分小于0.25 m，未发生大于0.75 m 的冒顶。工作面回采过程中应以片帮控制为主。

工作面中部片帮在0.25 m 以下占比为53 %，0.25～0.50 m 范围内的片帮占比为26%，最大片帮达到1.16 m，并且出现了冒顶大于0.75 m 的占比达到5.4%，1 m 以上的冒顶占比0.7 %，对该部分煤壁应加强管理，避免出现事故。

工作面上部片帮范围主要在0.5 m 以下，占比95%，最大冒顶范围为0.68 m，未发生大面积片帮冒顶，煤壁稳定性较好。

综合分析，8206 工作面上部和下部煤壁稳定性较好，大面积冒顶主要发生在工作面中部区域，在以后的开采中应加强中部的端面煤岩体控制，尤其在来压期间，应保证支架工作阻力，同时及时伸出护帮板，必要时采取注浆加固的措施。

2.5 冒漏顶与支护参数统计关系

以控制片帮为目标，以支架工作状态（端面距、顶梁台阶以及支架工作阻力）等为自变量，采用MATLAB 软件对观测结果进行回归分析，其中支架工作阻力对片帮的影响最大，相关性关系如图所示。

图2 片帮深度与支架液压相关性关系

由图可以看出，8206 综放工作面片帮与支架工作阻力为倒幂函数相关性关系，加大支架工作阻力有利于工作面片帮的控制。对于放顶煤工作面，由于顶煤的存在，对顶板的控制效果有限，放落的顶煤吸收了部分支架阻力所做的功，进一步降低了整个支护系统的稳定性，使得支架性能不能充分发挥，无法避免片帮、甚至冒顶的发生。

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

UDEC 离散单元法数值计算软件对8206 工作面推进过程中煤体中的应力和位移变化特征进行模拟分析，在此基础上，讨论端面顶煤失稳的影响因素和控制效果[4-5]。

图3 数值模拟计算模型

计算模型选取工作面的推进方向（水平方向）为x 轴，竖直方向为y 轴。煤层厚度、割煤高度、放煤高度，按照实际情况选取，割煤高度3.3 m，放煤7.9 m。模型尺寸为90 m×35 m，如图3 所示。围岩本构关系采用摩尔──库仑模型。直接顶块度为0.5 m×0.5 m，基本顶的断裂步距取36 m，模拟块度为6.0m×2.0 m。为较好地模拟煤壁片帮，煤壁划分倾斜裂隙，倾角为60°×120°，块度为0.25 m×0.25 m。

该采区平均采深为188 m，煤层平均厚度为10.84 m，采用倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化放顶采煤法，工作面设计采高确定为3.3 m，采放比为3.3∶（10.84-3.3）=1∶2.28。在对现场状况进行简化和抽象的基础上，计算模型在纵向设为水平模型，具体讨论端面顶煤失稳的影响因素和控制效果。

模拟计算过程为：

1）对岩层各个参数赋值，添加边界条件，运行至模型的平均不平衡力为最大不平衡力的1/10000，使其处于原岩应力状态。

2）沿边界开采一定距离，不大于初次来压步距，形成一个相对稳定的结构。

3）正常开挖煤层，过程为割煤─降架─移架─升架─放煤-割煤，分析其中的应力场和位移场变化。

3.2 位移场分析

工作面初次来压时的位移场分布云图如图所示。由模拟结果可以看出，工作面在回采过程中，工作面前方煤体内的原有裂隙不断发育，次生裂隙不断产生并扩展。工作面前方受采动影响产生的裂隙按位移量的大小可分为3 个部分：

1）原生裂隙张开区。该区域处于远离煤壁的位置，最开始受到采动的影响，煤体内的原生裂隙在超前支承压力的影响下逐渐开始扩展。在该区域内，裂隙的数量增加不多，原来闭合的裂隙逐渐呈张开状。

2）次生裂隙发育区。随着逐渐接近工作面位置，该区域内的煤体受采动影响的程度大，在原生裂隙扩展的基础上，次生裂隙增多，虽然单条裂隙的张开量不大，但由于基数大，总张开量较大，并且裂隙之间相互贯通，此区域以水平位移为主，方向为采空区方向。

3）大变形区。该区域距离煤壁最近，煤体在宏观上仍然连续，内部的原生和次生裂隙贯通程度高，已经将其切割为具有某种联系的块体。该区域内裂隙数量达到顶峰，煤壁上部煤体极易发生转动，位移以垂直方向为主，片帮几率增加。

3.3 顶板应力场场分析

工作面初次来压时的应力场分布云图如图所示。由模拟结果可以看出，8206 综放工作面应力场分布具有如下特征：

1）工作面煤壁内存在不同的应力区。煤壁上部分以拉应力区为主，下部分以压应力区为主，在拉应力的影响下，煤壁上部分极易失稳片帮。

图4 工作面位移场云图

2）工作面周期来压期间，端面煤岩体的应力集中程度高，顶煤破碎，在拉应力及自重的影响下沿裂隙法线方向失稳。上部煤体的失稳造成应力状态迅速改变，拉应力区向煤壁中部发展，若不及时处理，将造成大范围端面冒落。

图5 工作面应力场云图

3.4 端面距对端面稳定性影响

在实际生产中，端面距对端面煤岩体的稳定性具有较大的影响[6-7]。数值模拟中，利用顶梁前端到煤壁处的距离即梁端距来间接作为端面距。模拟计算可得，不同梁端距与端面稳定性的关系如图所示。

图6 梁端距与端面稳定性关系

由图可以看出，端面煤岩体的稳定性受端面距的影响较大。距离越大，煤岩体稳定性越差，片帮、冒顶发生的几率及范围均增大。当端面距小于0.75 m时，端面煤岩体稳定性较好，几乎没有片帮和冒顶的发生。当端面距达到1.0 m 时，端面出现失稳情况，片冒深度最大为0.65 m，在端面形成了冒落拱，并且拱的两翼坡度较缓，仍具有一定的自稳能力。当端面距达到1.25 m 时，端面失稳有情况加剧，冒顶高度和片帮深度达到1.0 m，端面位置形成两翼陡急的冒落拱，端面已经难以控制，极易发生更大范围的片冒，需要采取一定的措施。