“两软一硬”不稳定煤层综放开采技术研究与应用

滑怀田，张 博

（1.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000；2.河南永锦能源有限公司，河南 禹州 461670）

“两软一硬”不稳定煤层是指煤层软，底板也较软，而顶板相对较硬的厚度不稳定煤层。近年来，我国综放开采技术取得了很大进步，在地质采矿条件较好的情况下，实现安全高效开采。但在“两软一硬”不稳定煤层中实施综放开采，煤壁片帮，支架钻底，资源回收率偏低，影响正常生产[1-6]。目前国内外对这类煤层的综放开采技术研究较少，需要就“两软一硬”煤层综放开采过程中遇到的围岩力学性质、矿山压力及显现规律、底板比压、支护技术、煤壁片帮等问题进行研究和应用。通过对这些问题进行深入研究，充分发挥综放开采技术的优势，提高矿井的经济效益。

1 概 况

云煤二矿主要开采二1 煤层，不易自燃，有煤尘爆炸危险，井田内水文地质条件简单，属低瓦斯矿井。22202 工作面位于+60 m 水平22 采区东翼，东部为井田边界，西部为运输下山，上部为采空区，下部是实体煤。工作面煤层底板等高线范围为+112～+150 m，倾角10°～14°，平均12°，煤层裂隙发育，厚度不稳定，平均厚度4.56 m，开采深度610 m 左右，平均走向长度997 m 左右，倾向长度182 m，设计可采储量107.7 万t。顶板岩性坚硬，岩性为中粒砂岩和细粒砂岩，底板为砂质泥岩。

工作面沿倾向布置、沿走向开采，由东向西后退式推进，采用综合机械化放顶煤采煤工艺，采空区不充填。工作面布置3 条回采巷道，采用工字钢对棚支护，轨道顺槽长985 m，回风副巷长974 m，运输顺槽长1 020 m，平均走向长度为997 m，倾斜长182 m。工作面设备布置见表1。

2 数值模拟

UDEC3.0 是目前模拟岩层破断移动过程较为理想的数值模拟软件。依据22202 工作面实际开采情况，通过数值模拟研究来探讨上覆岩层的运动特征以及采场围岩的应力分布特征[7]。

2.1 数值模拟模型的建立

在模型建立过程中，垂直方向，煤层向上设定为53 m，煤层向下设定为31.2 m；水平方向，宽度设定为150 m。为了更好的模拟实际情况，将上部边界设定为应力边界，并将其均布载荷设定为5.734 MPa，将下部、左侧和右侧边界设定为位移边界。模型的初始应力场根据经验确定，垂直应力大小按q=∑γgh 计算，水平应力按侧压系数λ=0.5 计算。岩石力学参数见表2。未开采状态下的模型如图1 所示。

表2 各岩层力学参数Table2 Mechanical parameters of each rock layer

2.2 数值模拟结果分析

根据现场实际情况，考虑建模方便，此次开采采高按5 m 计算。工作面顶板冒落特征如图2 所示，工作面上覆岩层垂直应力分布如图3 所示。

图2 工作面推进不同距离时顶板移动变形情况Fig.2 Roof movement deformation when the working face advances at different distances

图3 工作面推进不同距离时上覆岩层垂直应力分布Fig.3 Vertical stress distribution of overlying strata when the working face advances at different distances

数值模拟显现，工作面初采，老顶来压之前，顶板会呈现一种倒台阶的形态。当工作面推进到10 m 时，冒落高度约4.4 m，老顶尚未来压，煤壁比较完整，支承压力峰值距离煤壁约2 m；随着工作面继续推进，顶板垮落高度和前方煤壁承受压力都增加；当煤壁距离开切眼35 m 时，由于老顶初次来压产生动压，使垮落带增加到7.1 m，工作面前方煤壁承受的最大压力为15 MPa，最大压力处超前工作面10 m；当煤壁距离开切眼55 m 时，由于老顶周期来压又一次产生动压，使垮落带高度增加到9.8 m，工作面前方煤壁承受的最大压力为7～8 MPa，产生的影响比老顶初次来压时小，最大压力处超前工作面8～14 m。

3 矿压观测研究

为更好的研究采场液压支架与围岩运移的适应程度，分析回采巷道的支护方式，需对工作面周期来压期间液压支架前后立柱载荷和回采巷道超前支护单体液压支柱载荷、超前支承压力进行监测，为工作面高效生产和回采巷道合理支护提供理论依据[8-13]。

3.1 矿压观测点布置

在采煤工作面内布置3 个观测点，24 h 监测液压支架前、后柱工作阻力，每个测点监测2 个液压支架，前、后柱工作阻力取其平均值，液压支架工作阻力监测使用圆图压力自动记录仪。在工作面回风巷超前支护范围内，布置20 个测点监测单体支柱工作阻力，从工作面煤壁处第一排超前支护开始，依次向外，每隔2 m 布置1 个测点，巷道超前支护单体支柱工作阻力观测用压力表测读。各测点布置位置如图4 所示。

图4 测点布置示意Fig.4 Arrangement of measuring points

3.2 周期来压规律

当工作面老顶周期来压时，受上覆岩层活动的影响，液压支架前、后支柱承受的负荷会显著增加。因此，可以通过监测液压支架支柱的工作阻力来确定老顶是否来压。

式中：Pi为实测的液压支架支柱工作阻力值，MPa；Pj为计算的液压支架支柱工作阻力平均值，MPa；σ 为液压支架支柱工作阻力的均方差，MPa；P1为用于确定顶板是否来压的最小值，MPa；P2为用于评估顶板来压是否明显的最小值，MPa。

若Pi>P1则认为顶板来压，若Pi>P2则认为顶板来压明显。

工作面内测站I、II、III 的前柱、后柱工作阻力与煤壁距开切眼距离关系曲线分别如图5~图10所示。

图5 测站I 前柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.5 Time-weighted working resistance curve of the front column of station I

图6 测站I 后柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.6 Time-weighted working resistance curve of the back column of station I

图7 测站II 前柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.7 Time-weighted working resistance curve of the front column of station II

图8 测站II 后柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.8 Time-weighted working resistance curve of the back column of station II

图9 测站III 前柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.9 Time-weighted working resistance curve of the front column of Station III

图10 测站III 后柱时间加权工作阻力变化曲线Fig.10 Time-weighted working resistance curve of the back column of Station III

从图5~图10 可以发现，在整个观测期间，测站I 液压支架工作阻力5 次超过了P1，平均每次来压工作面推进距离17 m，测站II、III 液压支架工作阻力4 次超过了P1，测站II 平均每次来压工作面推进距离19 m，测站III 平均每次来压工作面推进距离20 m，工作面上部顶板来压稍迟于工作面下部。

动载系数可以用来反映顶板在一定时间内承受的压力强度，用式（4） 表示：

式中：Pc为顶板周期来压时液压支架支柱支护阻力平均值；Pn为顶板非周期来压期间液压支架支柱支护阻力平均值。

经过计算，22202 工作面的动载系数介于1.32~1.61，平均值在1.41 左右，表明该工作面的顶板来压特征明显。

3.3 单体液压支柱工作阻力监

根据矿压观测方案，对回风巷内超前支护的单体液压支柱压力进行监测，并记录其与工作面煤壁的距离，经过处理，得出了回风巷内不同超前支护处单体液压支柱压力值，如图11 所示。

图11 单体液压支柱压力值与距工作面煤壁距离关系曲线Fig.11 Relationship curve between pressure value of single hydraulic prop and distance to coal wall of working face

由图11 可知，单体液压支柱的压力峰值在8 m 左右，回风巷内距煤壁0~39 m 受到了工作面开采的影响，影响剧烈范围为0~22 m。

通过对矿压观测结果分析可以看出，工作面来压步距、超前支承压力影响范围与数值模拟结果相吻合。

4 效益分析

该工作面设计可采储量107.7 万t，在回采过程中由于部分地段煤层较厚，实际开采平均煤厚大于计算平均煤厚，共回采煤炭125 万t。吨煤销售价格按1 000 元计，则该工作面开采可创产值约为12.5 亿元，共投入费用4 962.06 万元，产生的直接经济效益十分可观。通过对云煤二矿22202 综放工作面液压支架支柱工作阻力和回风巷超前支护液压支柱压力分布规律的监测和总结，对于指导其他类似综放工作面的安全高效生产具有重要的意义。

5 结 论

（1） 采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对“两软一硬”不稳定煤层综放开采工作面上覆岩层移动破坏规律以及围岩应力场进行了模拟研究。得出随着工作面的推进，顶板以倒台阶状形式冒落，老顶周期来压时，支承压力峰值距离煤壁8～14 m。

（2） 对“两软一硬”不稳定煤层综放开采工作面的液压支架支柱工作阻力进行了监测和总结，矿压观测结果分析得出，工作面平均周期来压步距为17~20 m；工作面的动载系数1.32~1.61，平均值1.41 左右，表明该工作面的顶板来压特征非常明显。

（3） 通过对回风巷超前支护单体液压支柱压力的观测，单体液压支柱的压力峰值在8 m 左右，回风巷内距煤壁0~39 m 受到了工作面开采的影响，影响剧烈范围为0~22 m。为综放开采工作面回采巷道超前支护提供了理论依据。

（4） 综放开采技术在“两软一硬”不稳定煤层中安全实施，产生了可观的经济效益，对其它类似条件下“两软一硬”不稳定煤层的机械化与智能化开采具有重要的参考价值。