宋杰

煤柱工作面上覆巖層破斷規(guī)律分析

宋杰

針對王莊煤礦典型煤柱工作面實際情況，通過理論分析計算了煤柱工作面上覆巖層的破斷規(guī)律，指導(dǎo)了采面的設(shè)備選型；并充分利用了已有的巷道和礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，緩解了生產(chǎn)接替緊張狀況，為類似條件下煤柱工作面的安全高效回采提供了科學(xué)有益的依據(jù)。

煤柱工作面;巖層破斷;規(guī)律;分析

0 引言

近年來，隨著礦井煤炭開采強度的不斷加大和服務(wù)年限將盡，資源面臨枯竭礦井越來越多，提高煤炭資源的回收率已成為這些礦井可持續(xù)發(fā)展的重要問題。礦井遺留煤柱的開采回收是煤炭資源回收中的重要內(nèi)容之一。王莊煤礦是潞安集團公司的主力生產(chǎn)礦井，開采時間較長，使用走向長壁開采工藝進行生產(chǎn)，原來的采區(qū)回采完畢后沒有對煤柱時行回收，在已經(jīng)回采區(qū)域內(nèi)遺留了大量的保護巷道煤柱，根據(jù)礦井對未采煤柱的資源統(tǒng)計結(jié)果，井田內(nèi)護巷煤柱儲量超過1 700萬噸。從煤柱的分布情況分析，遺留煤柱賦存比較穩(wěn)定，煤層頂?shù)装鍡l件較好，問題是煤柱內(nèi)的老空巷道分布較多，給回采煤柱帶來一定困難，但煤質(zhì)很好，具有很高的開采價值和收益期待。因此，針對王莊煤礦典型煤柱工作面實際情況，進行煤柱工作面上覆巖層破斷規(guī)律分析，對指導(dǎo)王莊煤礦厚煤層煤柱工作面安全高效開采具有重要的現(xiàn)實意義，同時可為類似條件下煤柱工作面的安全高效開采提供借鑒和參考。

1 概況

王莊煤礦投產(chǎn)以來產(chǎn)量逐年提高，開采強度不斷加大，可以按照采面設(shè)備能力和產(chǎn)量需要布置規(guī)范綜采面的區(qū)域不斷減少，遺留煤柱的回采是增加該礦服務(wù)年限的最好方法之一。43M1煤柱工作面位于43/2下山盤區(qū)，其東側(cè)為下山南翼采區(qū)巷道及4320采空區(qū)，南側(cè)為4328、4330、4332、4334采空區(qū)，西與6111采空區(qū)相鄰，北為4326采空區(qū)。本采面開切眼長度為71.7m，采煤工作面推進長度為705.5 m，可采儲量達45萬噸，工作面風(fēng)巷由43二下山南輔皮巷經(jīng)過修理整治而成，長度為760 m；工作面運輸平巷在4328、4330、4332、4334工作面停采線保護煤柱內(nèi)，沿底板新掘，長度為749 m。

該采面主采煤層為3#煤層，位于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊型沉積，埋深218～252 m，煤層平均厚度6.8 m，賦存穩(wěn)定，煤層下部有一層夾矸，采面北部煤層較薄，南部較厚。全煤含夾矸厚度0.48 m，煤層傾角1°～5°，平均約3°，可采指數(shù)為1，變異系數(shù)8.42%。該煤屬低磷、低硫、中灰、具粘性熱量之優(yōu)質(zhì)動力用煤。工作面共有21條空巷，分別與工作面平行、斜交、立交布置，采面巷道布置如圖1所示。

圖1 采面巷道布置

2 煤柱工作面覆巖破斷規(guī)律分析

此面為王莊煤礦回采的第一個煤柱工作面，沒有工程實踐可以參考，因此，采用理論計算的方法分析頂板的來壓步距。在來壓步距較大、開采邊界復(fù)雜、工作面較長的情況下，一般采用“板”模型分析。老頂初次破斷過程中，一般總是由長固支邊上表面中部首先發(fā)生斷裂，然后短固支邊上表面中部發(fā)生斷裂，采空區(qū)中央下表面沿長軸出現(xiàn)斷裂，接著斷裂線向四個對角線擴展成X形，然后四周邊斷裂線擴展溝通成“O”形，板發(fā)生破斷，最終形成“O-X”形拱式平衡結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 老頂豎“O-X”型破斷形式

通過理論分析，三邊簡支、一邊固支，即俗稱孤島工作面條件下的板邊界條件下老頂初次斷裂步距公式為：

根據(jù)以上公式，計算工作面老頂來壓步距。

3 巖層載荷計算

表1 煤柱工作面頂板巖層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)43M1煤柱工作面煤層柱狀圖和巖層力學(xué)參數(shù)計算巖層載荷q。煤柱工作面頂板巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

（1）第1層本身的載荷q1為:

式中：γ1—第1層頂板的體積力，取25 kN/m3；

h1—第1層頂板的厚度，取14.75 m。

（2）考慮第2層對第1層的作用() q21，則:

式中:E1—第1層頂板的彈性模量，取2.3×104 MPa；

E2—第2層頂板的彈性模量，取2.2×10 4MPa；

γ2—第2層頂板的體積力，取24k N/m3；

h2—第2層頂板的厚度，取1.4 m。

（3）計算到第3層，則第1層的載荷() q31為:

式中:E3—第3層頂板的彈性模量，取1.5×104 MPa；

γ3—第3層頂板的體積力，取26k N/m3；

h3—第3層頂板的厚度，取5.9 m。

（4）計算到第4層，則第1層的載荷() q41為:

式中:E4—第4層頂板的彈性模量，取1.1×104 MPa；

γ4—第4層頂板的體積力，取25 kN/m3；

h4—第4層頂板的厚度，取12.61 m。

（5）計算到第5層，則第1層的載荷() q51為:

式中:E5—第5層頂板的彈性模量，取1.1×104 MPa；

γ5—第5層頂板的體積力，取25 kN/m3；

h5—第5層頂板的厚度，取12.61 m。

由上述計算可知(q5)1＜(q4)1，則所計算的q值應(yīng)為566 kPa。

4 采面老頂板斷裂跨距計算

（1）采煤工作面一邊固支、三邊簡支，稱為孤島采煤工作面的板邊界條件下老頂初次斷裂時頂板的步距準數(shù)lm：

式中：RT——老頂?shù)目估瓘姸龋? MPa；

q——巖層自重及其上載荷，取566 kPa。

μ——巖層的泊松比，取0.2；

h——為老頂巖層厚度，取14.75 m。

（2）老頂初次來壓步距

式中，b為作面長度，取71.7 m；因此，老頂初次斷裂步距為41.78 m。

⑶老頂周期來壓步距計算

5 采面頂板垮落實測分析

采面選擇MGTY—250/600-1.1D型雙滾筒采煤機割煤，根據(jù)理論分析結(jié)果，通過計算確定了采面液壓支架的型號與技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 ZFS-6000/17/33型支架主要技術(shù)特征

為了掌握工作面頂板破斷規(guī)律，給頂板管理及支護設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，煤柱工作面安裝ZMB－60Ⅰ型綜采支架測壓觀測系統(tǒng)，連續(xù)觀測采面所有支架的工作阻力。采面支架的前、后立柱及平衡頂各安設(shè)一塊表，對液壓支架的初撐力和最大工作阻力進行觀測。觀測工作自采面開始生產(chǎn)至觀測結(jié)束，采面的推進長度為205.9 m，期間共有14次來壓。采面老頂來壓步距統(tǒng)計如表3所示。

表3 煤柱工作面觀測分析統(tǒng)計結(jié)果

支架工作阻力實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明，老頂初次來壓步距平均為41 m，周期來壓步距平均達到19.6 m；初次來壓期間平均動載系數(shù)達到1.44，工作面中部區(qū)域達到1.53，煤柱采面中部來壓強度明顯大于采面兩端，工作面周期來壓期間平均動載系數(shù)為達1.26。煤柱工作面支架平均工作阻力4 174 kN，其中來壓期間支架平均工作阻力為4 495 kN，最大工作阻力達到5 498 kN；非來壓期間支架平均工作阻力3 581 kN。

6 結(jié)語通過理論分析和采面實際觀測，得出了該礦首個煤柱采面頂板破斷規(guī)律，為設(shè)備選型提供了科學(xué)依據(jù)，保證業(yè)無煤可采的燃眉之急，并為類似條件的煤炭開采積累了成功經(jīng)驗，提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]杜計平,孟憲銳.采礦學(xué)[M].江蘇徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2015.

[2]李海濤等.上分層煤柱群下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及主控因素分析[J].煤礦安全,2014(6).

[3]李振華,戎濤,李化敏.煤柱工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2008(4).

Analysis on overlying rock breaking regular in working face with coal pillar

SONG Jie
(Longyu Coal Co.,Ltd.,Hongda Company of Datong Coal Mine Group,Datong Shanxi 037003,China)

In view of the actual situation of the typical working face with coal pillar in Wangzhuang coal mine,the equipment selection is guided by the theoretical analysis and calculation of overlying rock breaking regular in working face with coal pillar,and the existing tunnel and mine production system are made full use,the production replacement tension is relieved,and a beneficial science basis is provided for the safe and effective mining under the condition of the similar working face with coal pillar.

Working face with coal pillar;Rock breaking;Regular;Analysis

TD325

B

1000-4866(2016)06-0023-03

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.006

2016-11-9

宋杰，男，1970年出生，山西天鎮(zhèn)縣人，工程師，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)同煤集團宏大公司龍馭煤業(yè)從事煤礦技術(shù)管理工作。