薛建貴

(開灤(集團)蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北張家口 075700)

復(fù)合頂板不穩(wěn)定煤層開采技術(shù)研究

薛建貴

(開灤(集團)蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司,河北張家口 075700)

隨著時代的不斷發(fā)展,我國許多行業(yè)在生產(chǎn)過程中都需要煤炭的支持。目前國內(nèi)大部分煤區(qū)的地表煤炭均被開采完畢,所以煤炭的開采需要向更深的地下發(fā)展。煤炭開采是一項風(fēng)險極高的工作,稍有不慎便會造成煤礦開采事故。本文通過分析理論、結(jié)合計算機模擬施工以及對施工進行現(xiàn)場監(jiān)測等方式,對復(fù)合頂板不穩(wěn)定煤層開采技術(shù)進行研究。

復(fù)合頂板 不穩(wěn)定煤層 不穩(wěn)定煤層開采 復(fù)合頂板開采技術(shù)

1 不穩(wěn)定煤層開采方法研究

1.1 緩傾斜不穩(wěn)定煤層開采概述

不穩(wěn)定煤層概述：所謂不穩(wěn)定煤層，指煤層厚度變化比較大并且沒有明顯規(guī)律性，煤層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的這一類煤層可以稱之為不穩(wěn)定煤層。在實際生產(chǎn)過程中，施工人員需要將厚度、傾斜角、夾矸厚度以及煤層層數(shù)變化大，煤層產(chǎn)生斷層、褶曲、火成巖侵入情況嚴(yán)重，可開采性不穩(wěn)定的煤層，可以統(tǒng)一稱之為不穩(wěn)定煤層。

1.2 緩傾斜不穩(wěn)定煤層開采方法

因為不穩(wěn)定煤層的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，所以在開采過程中會遇到許多難題，開采中所使用的開采方法必須要滿足當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境，目前常用的開采方法主要包括高檔開采；懸移支架采煤發(fā)、單體支柱炮采等手法。下文將主要對懸移支架開采法進行詳細(xì)分析。

懸移支架就是指懸疑頂梁液壓支架，屬于一種過渡支架。該支架與單體型液壓支柱相比較，懸疑支架實現(xiàn)了機械化，并且減少了支護工作的工作量，從而減少支護工人體力付出。懸移支架和自動移動液壓支架相比較，價格更為低廉。懸移支架經(jīng)過長時間實踐和研究，不僅可以解決不穩(wěn)定較厚煤層在開采時合理分層比較困難、煤炭回收效率較低的問題，同時也提高了單產(chǎn)量，從側(cè)面降低了巷道的掘進率、也降低了煤的成本，提高了回采的功效。

懸移支架的開采方式打破傳統(tǒng)走向的長壁開采巷道的布置方式，采取傾向長壁采掘巷道布置方式，沿著底板準(zhǔn)備切眼，并且將工作面沿著底板進行推進。鋪頂網(wǎng)放些頂煤，與沿頂推進走向長壁的采煤方法相比，徹底實現(xiàn)了一次性采全高，而且提高了煤炭資源的回收效率，具有單產(chǎn)量較高、工作效率高、可回采率高以及事故發(fā)生概率低等特點，所以說，懸移支架采煤方法特別適合用于煤層厚度變化較大，地質(zhì)條件十分復(fù)雜的緩傾斜厚煤層開采。

2 回采工作面切眼支護設(shè)計

2.1 切眼錨桿支護設(shè)計理論

圖1

支護理論主要包括懸吊理論、組合梁理論等，其中懸吊理論認(rèn)為，錨桿支護作用簡單來說，即為將巷道頂板軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定的巖石層上，達(dá)到增強軟弱巖層穩(wěn)定性的目的?；夭晒ぷ髅媲醒蹠r常遭遇到層狀的巖體，所以在巷道開始挖掘以后，直接頂將會逐漸彎曲、變形，最終與老頂分離。如果直接對錨桿進行擠壓，并且將其懸掛在老頂上，就可以起到限制直接頂下沉以及離層的作用，以此達(dá)到支護目的。

2.2 回采工作面切眼支護設(shè)計及流程(以西細(xì)莊礦巖石為例)

切眼設(shè)計參數(shù)為：矩形斷面，假設(shè)切眼寬度為3米，高度為2.0米，并且煤層的平均厚度為2.2米，切眼沿著底板進行掘進。在掘進過程中，統(tǒng)計單項抗拉強度、單項抗壓強度、彈性模量、泊松比例、凝聚力以及內(nèi)摩擦角的相關(guān)數(shù)值，并結(jié)合這部分?jǐn)?shù)據(jù)找出回采切眼支護設(shè)計流程存在的規(guī)律。

3 開采數(shù)值模擬以及圍巖規(guī)律分析

3.1 巖石破裂分析系統(tǒng)RFPA簡介

RFPA這一系統(tǒng)，為創(chuàng)造模型提供了初始條件，并且為模型的構(gòu)造方式以及處理數(shù)據(jù)提供了可能。RFPA操作系統(tǒng)平臺通常在windows98/NT的操作系統(tǒng)下運作，并且RFPA平臺是一個多文檔系統(tǒng)，可以同時建設(shè)以及打開很多工作區(qū)，進而對一個或者多個巖土工程進行模擬構(gòu)造。具體操作平臺設(shè)計模型如下圖1所示。

3.2 數(shù)值計算模型計算方案

數(shù)值計算主要包括下述幾方面內(nèi)容：①在進行煤層開采的時候，頂板移動規(guī)律。②老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?、周期來壓步距。③煤層開采的時候，礦壓顯現(xiàn)出的規(guī)律。

3.3 煤層開采數(shù)值計算

模擬開挖本質(zhì)上就是模擬開采的過程，開挖的每一步，均代表一次采煤。筆者模擬計算100步，從第二部開始表示挖掘，開挖的步距控制在一米，總計開采99米。模擬設(shè)備在計算過程中進行執(zhí)行分步的開挖功能，每進行一次開挖，模型將會自動算一步。在最后，將單元破壞移動過程中，通過彈模圖或應(yīng)用力的方式顯示出來。

隨著工作面不斷推進，老頂懸露跨度將會逐漸增大，媒體的支承壓力也會不斷增加。在煤層成功采出后，圍巖的應(yīng)力會發(fā)生重新分布以及重新調(diào)整的情況，經(jīng)試驗證明，工作面頂板上的預(yù)應(yīng)力在12m.25m.46m三個階段，隨著工作面的推進程度不斷加深，在工作面上會形成應(yīng)力降低區(qū)，并且應(yīng)力值會越來越小。但是在工作面前方以及工作面后方，應(yīng)力值均有不同程度提升，而且越來越大，應(yīng)力較為集中，并且應(yīng)力集中的系數(shù)也會隨著頂板的懸露長度而增大。在老頂?shù)碾p支點上的巖梁跨距到了受力臨界點時，會因為放炮的神東或者一次采動的影響，打破巖體受力平衡。此時，垮落下來的巖體中的一部分，會觸矸得到支撐并且形成新力平衡，此時距離切頂線約為10米范圍之內(nèi)的巖體上承載的所有壓力都會通過懸露巖梁傳遞到工作支架一次煤壁上，工作面承受初次來壓。

回采工作繼續(xù)推進的時候，因為老頂不能有效咬合而產(chǎn)生的一系列影響便會隨之而來，在進行一段距離推進之后，老頂會被工作面甩在后方，此時工作面將在老頂懸臂的保護之下運行，恢復(fù)到原有狀態(tài)。工作面繼續(xù)推進，內(nèi)部頂板將會發(fā)生周期性的階梯狀折斷現(xiàn)象，并且垮落周期為步距24m。

4 結(jié)語

通過總結(jié)自身工作經(jīng)驗，并且結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)資料，從不穩(wěn)定煤層開采方法、回采巷道支護設(shè)計、開采數(shù)值模擬以及圍巖規(guī)律分析這三大點進行論述，并且針對目前比較常用的懸移支架及其工作原理進行了詳細(xì)分析，簡單敘述了復(fù)合頂板不穩(wěn)定煤層開采技術(shù)。

薛建貴(1986年4月—),籍貫:蔚縣,采煤助理工程師,2012年1月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué),函授采礦工程,從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。