卸压区回采工作面开采技术及可行性分析

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  摘要:为了验证下煤层工作面是否布置在卸压区范围内,并掌握近距离煤层群下煤层工作面采场的矿压显现规律,为下煤层工作面安全高效开采提供理论指导,通过分析可得,破碎顶板条件下,影响工作面端面顶板稳定性的因素主要有:顶板的力学性质、支护阻力、端面距、水平支护力、支架前排立柱工作阻力等。通过对25301工作面现场情况进行分析,得出顶板的完整性较差,对工作面稳定性影响较为显著,别的因素对顶板稳定性影响较小。在研究过程中,理论计算所采用的参数、地质资料和数据均来自该煤矿现场可靠资料,具有较高的适用性,分析结果比较准确,理论数据的选择均针对该矿具体生产地质情况,能够满足该煤矿实际条件。卸压区回采工作面开采技术充分考虑了矿井现有生产系统和技术水平,保证了实施的可行性和可操作性。
  关键词:卸压区;回采工作面;垂直应力;数值模拟
  0引言
  对于煤层群开采,当煤层层间距离较大时,上部煤层开采后对下部煤层的开采影响程度很小,其矿压显现规律,开采方法不受上部煤層开采影响,与普通单一煤层开采基本相同。但是,随着煤层间距离减小,上下煤层间开采的相互影响会逐渐增大,特别是当煤层间距很近时,下部煤层开采前顶板的完整程度已受上部煤层开采损伤影响,其上又为上部煤层开采垮落的矸石,且上部煤层开采后残留的区段煤柱在底板形成的集中压力,导致下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化。从而使下部煤层开采与单一煤层开采相比出现了许多新的矿山压力现象,主要表现在下部煤层开采时,工作面极易发生顶板冒、漏事故,与上部煤层采空区沟通,造成工作面漏风,回采时巷道的矿山压力显现十分明显,压力传递规律特殊,巷道围岩移近量大,巷道支护困难,而现有单一煤层开采顶板岩层控制理论和经验,不能很好地解释这种矿压现象及机理。因此,在近距离煤层开采的过程中,存在许多技术难题[9~11]。
  近距离煤层下行开采研究成果主要围绕以避开煤柱集中压力为出发点进行巷道布置。由于煤层层间距离不同,相互间开采的影响程度各异,特别当煤层层间距离小到一定程度时,邻近煤层间开采的相互影响将非常显著,严重影响到矿井的安全、高效生产。而现有的近距离煤层开采研究成果与开采实践表明,无论采用普采还是综采,在开采过程中均发现顶板破碎,不易管理,常出现回采巷道漏顶事故[12~14]。
  综上所述,近距离煤层在我国分布广泛,近距离煤层开采的矿山压力显现特征、顶板控制、安全技术保障等与普通单一煤层开采相比均具有特殊性,现有的煤层开采理论和技术不完全适用极近距离煤层开采。目前,国外关于极近距离煤层开采系统研究成果还未曾报道,国内主要是极近距离煤层开采实践和经验的定性总结。有关支护的力学原理、支护原则及支护对策等一系列理论方面的问题尚没有系统的认识,生产中采场围岩稳定性控制方式往往盲目性较大,工作面回采困难,采掘接替紧张,煤炭损失严重。因此,深入、系统地研究极近距离煤层开采的围岩结构及其矿压显现规律,确定矿压的防治措施,探索出一种适用于极近距离煤层开采的围岩控制理论和技术,对于极近距离煤层开采的安全生产具有重要意义。
  1工程概况
  25301工作面位于某典型煤矿北三采区,沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面。东面为山西鑫飞贺昌煤业有限公司的矿界,南面已回采完的25102工作面,西面为北翼大巷,北面为已回采完的24302工作面下方的实体煤。25301工作面走向长1153.3m,工作面底板标高430m~570m,地面标高840m~966m,布置在已采完的24301工作面下方。
  25301工作面切眼长度186.8m,布置在24301工作面采空区内错5m,其胶带巷布置在24301工作面胶带巷内错4m处,轨道巷位于24301轨道巷内错7.5m处,两煤层间距为5.5m,工作面布置剖面图如图1所示。
  25301工作面总体呈单斜构造,根据巷道掘进资料,预计该工作面回采时将遇到6条断层,1个陷落柱。该煤矿25301工作面所采煤层为5号煤层,煤层整体倾向西,平均倾角5°,煤层为黑色,为半光亮型煤,玻璃光泽。煤层厚度变化范围为3.2~4.2m,平均煤层厚度为3.85m,煤层赋存稳定。根据25301工作面钻孔综合柱状图岩层分布情况,工作面顶板为2.6m厚的泥岩,黑色,中厚层状,平坦断口,半坚硬,其上方为岩性较强的粉砂岩和中砂岩,厚度分别为1.7m和1.2m;直接底为泥岩厚度1.0m,黑灰色,中厚层状,可见大量植物根茎化石;老底为中砂岩,厚度3.2m,褐灰色,厚层状,坚硬。
  2采场围岩稳定性分析
  2.1端面顶板稳定性影响因素
  由于3+4号煤和5号煤层间距仅为5.5m,24301工作面回采后,对25301工作面的影响较大,25301工作面顶板较为破碎,在破碎顶板条件下,影响工作面端面顶板稳定性的因素主要有:顶板的力学性质、支护阻力、端面距、水平支护力、支架前排立柱工作阻力等。
  1)顶板的力学性质
  工作面端面顶板的稳定性会受到顶板力学性质的影响,顶板越完整,则直接顶越难冒落,对端面顶板的稳定性影响越小。下煤层工作面顶板较为破碎,因此在工作面回采过程中,顶板易受上覆岩层和支架的反复挤压作用而破碎冒落,对端面顶板的稳定性影响较大。
  2)支架的支护阻力
  支架的支护阻力对端面顶板稳定性具有重要影响,在确保其他条件相同的情况下,支架的支护阻力越大,端面顶板的冒落程度则越小。通过对25102工作面矿压显现规律的研究,对工作面支架载荷进行统计分析,得到工作面支护阻力平均为2420kN,ZZ5200/25/47型支架对顶板的支护情况较好,而且在现场实测的过程中,支架基本无超过额定载荷的情况,因此可以确定该支架的支护阻力能够较好的支护好端面顶板,满足工作面正常生产的需求。但是25102工作面液压支架额定工作阻力为5200kN,支架利用率较低,可以根据实际情况,选择额定工作阻力较小的液压支架。   3)端面距
  当架型选取确定时,在相同的顶板完整的前提下,无论支架的支护阻力为何值,只要端面距超过某一范围,且端面的顶板下沉量达到允许最大值,则端面的顶板将很难控制,端面顶板处于不稳定状态,这个范围即为极限端面距。通过以往的研究成果,确定破碎顶板的极限端面距为0.5m,中等顶板的极限端面距为1.5m,完整顶板的极限端面距则大于2.5m。只有工作面端面距保持在极限端面距范围内,才能确保端面顶板的稳定[64]。25301工作面顶板较为破碎,将工作面液压支架的最大端面距控制在0.34m范围内,属于破碎顶板的极限端面距0.5m的限度内,工作面端面顶板的稳定性能较好的维护。
  4)水平支护力
  根据25102工作面的现场实测,支架支撑角度平均约为85°,能够较好的支撑好顶板。由于ZZ5200/25/47型支架的支护阻力较大,导致支架支撑角度对端面稳定性的影响不是很明显。若选用型号较小的支架时,应保证支架有足够的水平支护力。
  5)支架前排立柱的工作阻力
  支架前排立柱的工作阻力对端面稳定性的影响主要体现在控制端面顶板冒高的大小上,前排立柱的工作阻力越大,则端面顶板的冒高越小。通过对25102试采工作面矿压显现规律的研究,在整个工作面回采过程中,支架前排立柱支承压力平均在1228kN,能够较好地控制端面顶板的稳定性。
  在端面顶板稳定性影响因素中,只有顶板力学性质对工作面顶板稳定性影响较大,因此应主要针对顶板较为破碎这一特点,制定合理的卸压区回采工作面开采技术。
  (2)支架工作阻力的确定
  首先,工作面支架应当承受两煤层间5.5m厚的岩层及24301工作面垮落带岩层的全部重量,则Q1为:
  由于覆岩变形失稳后会产生对支架作用的冲击力,其程度常用冲击系数k1来表示,k1取值一般在1.1~1.8之间,卸压区工作面冲击系数较小,取1.3。为保证安全,假设支架承担全部24301工作面冒落矸石的重量,即13.45m的冒落矸石,总重336.25kN。则支护阻力P为:
  式中:hn—上覆岩层厚度;
  γn—上覆岩层容重,取25kN/m3;
  q—单位面积24301工作面垮落带岩层重量,取336.25kN/m2;
  k1—基本顶冲击系数,取1.3;
  A—支架的支护面积,取5.8m2。
  将上述参数带入(2),得到支架所承担的载荷为3572.1kN,支护强度为0.62MPa。工作面支架初撑力应不小于支架工作阻力的80%,即不小于2858kN。若工作面支架的支护效率为0.9,则支架额定工作阻力为3969kN,支架初撑力为3175.2kN。
  25102工作面采用ZZ5200/25/47型支架,支架参数见表5-1。
  根据25102工作面所选ZZ5200/25/47型支架的实际情况,支架的额定工作阻力为5200kN,对顶板的支护强度为0.89~0.92MPa,因此所选择的支架型号ZZ5200/25/47型支架能够满足卸压区回采工作面的开采,但是在25102工作面在回采过程中,支架的平均载荷为2420kN,支架额定工作阻力为5200kN,支架利用率仅为46.5%。结合以上分析可知,25102工作面整面支架的工作阻力普遍相对较小,支架的工作阻力利用率还有待提高。建议25301工作面采用ZZ4200/19/42型支架,该支架参数见表2。
  ZZ4200/19/42型支架额定工作阻力为4200kN,支护强度为0.68~0.72MPa,能够满足25301工作面回采的需求,但25301工作面顶板较为破碎,在工作面的回采过程中,应增大支架的初撑力,原则上初撑力应不小于,但由于卸压区回采工作面压力相对较小,无法达到支架工作阻力的80%,现场应尽量提高主动支護能力,保证工作面顶板的完整性。
  6结论
  通过分析可得,破碎顶板条件下,影响工作面端面顶板稳定性的因素主要有:顶板的力学性质、支护阻力、端面距、水平支护力、支架前排立柱工作阻力等。通过对25301工作面现场情况进行分析,得出顶板的完整性较差,对工作面稳定性影响较为显著,别的因素对顶板稳定性影响较小。在研究过程中,理论计算所采用的参数、地质资料和数据均来自该煤矿现场可靠资料,具有较高的适用性,分析结果比较准确,理论数据的选择均针对该矿具体生产地质情况,能够满足该煤矿实际条件。卸压区回采工作面开采技术充分考虑了矿井现有生产系统和技术水平,保证了实施的可行性和可操作性。
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  国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号:202110977023)
  作者简介:
  郎维玉(2000.04–),男,汉族,贵州省毕节市大方县人,在读本科学生,主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。
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