晶鑫煤业综放面煤壁片帮机理及控制技术_张跃兵.pdf

炭,2019,45 （12） 107- 112. [3] 蔡为益,张东升,常泽超,陶祥令.遗弃煤层复采综放工作 面矿压规律研究[J].矿业研究与开发,2019,39 （05） 55- 59. [4] 贺子明. 莒山煤矿 3 厚煤层下分层复采技术研究 [D].中 国矿业大学,2019. [5] 蔡为益. 厚煤层遗弃资源综放复采围岩控制机理与应用 研究[D].中国矿业大学,2018. [6] 任志峰.残煤复采工作面矿压显现规律的研究[J].山西焦 煤科技,2017,41 （12） 8- 1014. 作者简介 茹道月 （1988-） ， 男， 汉族， 山西省阳城县人， 2017 年 1 月毕业于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 现任晶 鑫煤业生产科科长， 现从事煤矿生产技术管理工作. （收稿日期 2020- 6- 5） 晶鑫煤业综放面煤壁片帮机理及控制技术 张 跃 兵 （山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司 ， 山西 晋城 048100 ） 摘要 为探究综放面煤壁片帮发生的机理及控制技术， 文章以晶鑫煤业 3217 综放面为工程背景， 分 析了采场煤壁片帮的原因， 提出了控制片帮的技术手段。 研究表明 煤壁上方顶板压力、 煤壁受水平支 护力和煤体自身性质是影响煤壁片帮的主要因素， 可以采取增大支架初撑力、 加大工作面推进速度和 煤壁补打木锚杆的措施进行控制， 结果显示 3217 综放面片帮范围减少至 35， 月产量提高了 44， 保证了工作面安全高效经济开采。研究成果为相似条件下综放面煤壁片帮控制提供了借鉴。 关键词 煤壁片帮 ； 变形破坏 ； 控制技术 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0028-03 Coal Wall Rib Spalling Mechanism and Control Technology of 3217 Fully Mechanized Caving Face at Jingxin Mine ZHANG Yuebing （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Jingxin Coal Industry Co. LTD ，Jincheng 048100 ， China ） Abstract In order to explore the mechanism and control technology of coal wall rib spalling occurrence in fully mechanized caving face, the article takes Jingxin Coal Industry 3217 fully mechanized caving face as engineering background, analyzes the reasons of coal wall rib spalling, and puts forward the technical means for controlling coal wall rib spalling. The research shows that the roof pressure above the coal wall, the horizontal support force of the coal wall and the nature of the coal body are the main factors affecting the coal wall rib spalling. The initial support force of the support, the advancing speed of the working face and the measures of hitting wooden anchors were controlled. The results showed that the range of 3217 fully mechanized caving face coal wall rib spalling was reduced to 35, and the monthly output was increased by 44, ensuring safe, efficient and economical mining of the working face. The research results provide a reference for the control of coal wall flank in fully mechanized caving face under similar conditions. Keywords coal wall rib spalling ； deation failure ； control technology 1工程概况 阳泰集团晶鑫煤业 3217 工作面位于矿井西采 区 630 水平， 工作面埋深 98132m， 平均 110m， 地 表为山坡耕地， 无其他建筑物。3217 工作面东为西 三级大巷、 南为西二级大巷、 西为矿界保安煤柱、 北为 3215 采空区。工作面主采 3 号煤层， 平均煤厚 4.8m， 煤层倾角 13， 属近水平煤层， 采用走向长壁后退 式综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板，采高 2.0m、 放顶煤高度 2.8m、 步距为 0.6m。工作面伪顶 为砂质泥岩， 厚度 2.1m， 质地松软破碎； 直接顶为性 脆致密的中粒砂岩， 厚度 3.3m， 裂隙发育， 岩心破 碎； 老顶为灰色细砂岩， 厚度 9.9m， 石英为主， 质地 较硬； 直接底为泥岩， 厚度 0.6m， 性脆致密； 基本底 为粉砂岩， 厚度 3.2m， 薄层状， 含较多砂质泥岩带。 由于 3217 工作面本身放顶煤工艺和煤层地质 条件的问题， 采场经常出现煤壁片帮， 造成顶板漏 冒的问题。片帮或漏冒后产生的煤岩块容易积聚在 采场周围， 给割煤、 运煤、 支护工作带来了极大不利 影响， 耽误了工作面正常生产进程， 严重威胁了人 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 28 ChaoXing 员及设备的安全，成为了 3217 工作面当前亟需解 决的主要问题。 23217 综放面煤壁片帮机理 3217 综放面向前推进过程中， 顶板经历初次来 压和周期来压过程， 基本顶破断旋转形成 “砌体梁” 结构， 超前支承压力在深入煤壁一定位置处出现峰 值， 受超前集中载荷的影响， 峰值区域的煤体会出 现挤压裂隙发育， 煤体变得更破碎。当 3217 工作面 逐渐向前推进的过程中， 遇到这部分稳定状态已破 坏的煤体时， 在支架、 顶板、 煤体的共同作用下， 煤 壁位置很容易出现片帮现象[1,2]。 煤壁片帮剥落的煤体厚度都比较小， 可以将其 视为平面应变问题进行研究， 建立如图 1 所示采场 煤壁片帮力学结构， Q 为上覆煤岩层重量;Q2为超前 支承压力;P 为支架支护阻力;θ 为支架立柱与水平 方向夹角;Q1为顶板传递压力;Q3为顶板岩块回转下 沉附加力;T 为支护板阻力;p0为滑落体受竖直载荷、 R 为滑落体受到的支撑反力;R1x和 R1z为滑落体底 部受摩擦阻力和支撑反力;n 为滑落面的法线;ds 为 滑落面单位面积;dv 为滑落体的单位体积;γ 为煤 比重。竖直方向与水平方向的离得平衡可用下式表 示 QQ2Q3Q1- Psinθ v 乙γdv- R1z- s 乙Rnzds0 s 乙Rnxds- Pcos- T- R1x0 p0R1z s 乙Rnxds- v 乙γdv 图 1采场煤壁片帮力学结构 由图 1 和上述公式定性可知， 影响煤壁滑落体 速度矢量的主要因素为顶板载荷、 支架护帮板水平 力和滑落面的位置， 滑落面的位置又和煤体内聚力 和内摩擦角紧密联系。煤壁片帮形式主要有拉伸劈 裂破坏和压剪滑移破坏， 当煤体受超前支承应力峰 值影响后变得裂隙发育破碎后， 由于采煤机割煤后 支架不能及时支开护帮板， 造成在顶板压力影响下 的煤壁开始从滑落面出现移动趋势， 上方顶板逐渐 回转下沉， 顶板压力逐渐增加， 护帮板的水平力已 不足以支撑滑落体稳定， 片帮现象开始发生。出现 片帮后， 若不及时采取控制措施， 会进一步造成顶 板冒落， 甚至是台阶下沉的严重事故[3-5]。 33217 综放面采场片帮控制方法 3.1煤壁片帮控制思路 根据采场煤壁片帮力学分析， 要保证工作面前 方煤壁的稳定性，主要是从控制顶板垂直压力、 增 加水平支护力和控制煤壁滑落面三个方面入手 1） 煤壁所受的顶板垂直应力主要由顶板断裂块 的回转下沉引起， 增加工作面支架的支护强度和支护 阻力， 能够有效减弱断裂块下沉趋势， 确保煤壁受 力稳定。 2） 支架水平支护力的作用效果与支护力大小和 支护是否及时有关，及时对煤壁施加较强的水平支 护力， 阻止已破碎煤体继续发育， 能够控制割煤前 煤壁的整体稳定。 3） 煤壁滑落面的形成主要与煤体自身性质有关， 当煤体内聚力较小或内摩擦角较大时，煤体易出现 滑落面发育， 通过增加煤体整体性可以减缓或消除 煤壁滑落面的产生。 3.23217 综放面技术实践 根据 3217 工作面煤壁片帮控制思路，在采场 推进过程中确定采用以下几方面的控制措施 1） 3217 工 作 面 主 要 采 用 了 101 架 ZF2800/16/24 型液压支架，确保支架初撑力不低于 规定值的 80， 即不得小于 25.2MPa， 安全阀开启压 力 34.9MPa，工作面推进过程中定时检测支架工作 状态， 保证支架工作阻力。滞后采煤机组 12 架， 马 上进行移架工作， 此过程带压擦顶前移， 移架后迅 速伸出前梁，打开护帮板，支柱收缩高度控制在 100mm 以内，使支架护帮板能及时作用于煤壁， 在 时间和空间上进行不间断支护， 阻止煤壁滑落体的 移动。3217 工作面正常一个循环进尺为 0.6m， 日循 环数为 4 次， 提高工作面推进速度， 可将日循环数 增加至 68 次， 快速割煤后能够有效减少采场煤壁 的裸露时间，降低顶板垂直应力对煤壁的作用时 间， 减弱煤壁片帮发生程度。 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 29 ChaoXing 2）3217 工作面遇片帮现象较严重区域，补打 木锚杆进行煤壁加固， 具体施工见图 2。 钻孔采用手 持式煤电钻湿式钻孔， 麻花钻杆长为 1.2m 和 1.5m。 锚杆为红松原木材质， 直径为 45mm， 三排五花眼布 置， 眼距 0.75m， 底排距底部 800mm， 杆体 1500mm， 垂直煤壁 30打设； 中排水平打设， 长度 1200mm， 距底部 1200mm； 顶板排距顶 200300mm， 与水平方 向 30打设，杆长 1500mm。锚杆及时打紧，一端 100mm 范围内削成棱角状， 另一端外露长度不大于 100mm。 图 2木锚杆布设位置 3）3217 工作面遇到断层等构造地段时，可以 采用注浆煤壁加固技术， 用以粘结补强、 转化破坏 机制。根据 3217 工作面实际已发生片帮情况， 注浆 位置在主要集中在采场中部片帮较严重区域， 采用 马丽散注浆，钻孔直径 42mm，由于煤体裂隙较发 育，只在煤体中部布置单排眼，间距 4.0m、孔深 6.0m，与水平方向成 10打设，封孔长度不小于 1.0m， 注浆压力不宜过大， 确定为 34MPa。注浆泵 选用 ZBQ- 5/12 型气动高压双液化学泵，高压胶管 直径 19mm， 注射花管直径 10mm， 注浆完毕后及时 清洗设备和附件。 图 3注浆加固系统 3.3工程应用效果分析 晶鑫煤业 3217 综放面在采用上述方式进行煤 壁片帮控制后，需要对煤壁控制效果进行检验对 比。在支架上布置 5 个测站， 测站间距为 20 架， 测 站编号支架分别为 18 号、 38 号、 58 号、 78 号、 98 号， 记录实施控制措施前后的煤壁片帮深度， 如图 3 所示。煤壁片帮现象主要在整个采场中部区域煤体 发生， 控制措施采取前后均是同曲线的最大值。根 据对比效果， 片帮深度最大值从 1.5m 降低到 0.5m， 平均深度从 1.0m 降低到 0.4m，煤壁片帮的范围从 90降到至 35； 3217 综放工作面月进尺也从 60m 增加到了 90m， 月产量达到了 6.5 万 t， 生产能力提 高了 44。 可见， 3217 工作面煤壁采取控制技术后， 大大减少了片帮发生范围和深度， 缓解了片帮现象 对工作面生产的影响，提高了月进尺和月生产能 力， 保证了人员与设备的安全， 取得了良好的技术 经济效益。 图 43217 采场片帮深度对比 4结论 晶鑫煤业 3217 综放工作面采场煤壁易出现片 帮现象， 片帮主要受顶板载荷、 水平护帮力和滑落 面位置影响， 可以采用控制顶板垂直压力、 增加水 平支护作用力和增大煤体自身稳定性的相关举措 进行片帮控制。采取控制措施后的 3217 工作面片帮 范围降低至 35， 月生产能力提高了 44， 实现了工 作面安全高效生产， 取得了良好的技术经济效益。 参考文献 [1] 张艳伟, 王方田, 宋启,等. 松软顶板采场煤壁片帮与顶板 冒落作用机理研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48 （4） 78- 81. 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