1、专题部分厚煤层分层开采及巷道合理位置确定模拟分析摘要：运用数值模拟分析方法，研究煤柱支承压力在底板的分布规律。研究结果表明，煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀分布特征，应力集中程度最高地方在煤柱内和煤柱下，向采空区发展则应力集中程度迅速降低；布置下分层回采巷道中，除避开煤柱支承压力增高区外，还应考虑煤梓下底板应力分布状态非均匀性的影响，应力分布状态的非均匀分布特征可用应力改变率衡量。研究结果对类似条件下巷道合理布置具有一定指导意义。关键词：厚煤层分层开采；数值模拟；应力状态；巷道布置概述我国是世界上煤炭生产和消费大国，2007年我国煤炭产量达25108 t以上，占世界煤炭产量的1/3以上。我国
2、一次能源的70%来自于煤炭，因此煤炭在我国能源结构中具有其它能源无法替代的作用。在我国现有煤炭储量和产量中，厚煤层（厚度3.5 m）的产量和储量均占45%左右，是我国实现高产高效开采的主力煤层，具有资源储量优势。由于煤层厚度大，对其开采可以有多种方法进行选择。随着煤炭市场好转和高产高效开采的迫切需要，放顶煤开采和大采高开采技术得到了快速发展和广泛应用。然而煤炭开采与具体的地质条件、开采条件等有密切关系，因此厚煤层开采要根据煤层条件和技术条件等采用合适的开采方法。对于特厚煤层目前的开采方法主要有大采高一次采全厚综采采煤法、综采放顶煤方法和分层开采方法。在现有的技术装备条件下, 煤层厚度在3.56
3、.0 m 时应优先采用大采高一次采全厚综采采煤方法; 煤层厚度在610 m 时可选用放顶煤一次采全高开采方法; 当煤层厚度大于10 m 时可采用分层开采和放顶煤开采两种方法, 其选择的依据主要取决于煤层的可放性。1 我国厚煤层分层开采的主要方法在20世纪80年代以前，厚煤层主要以分层开采为主，即平行于厚煤层面将厚煤层分为若干个2.03.0 m左右的分层自上而下逐层开采，个别也有自下而上逐层开采的。当自上而下逐层开采时，上一分层开采后，下一分层是在上分层垮落的顶板下进行，为确保下分层回采安全，上分层必须铺设人工假顶或形成再生顶板。目前多采用在分层间铺设金属网，作为下一分层开采的“假顶”，如图1下
4、分层开采在“假顶”保护下作业，称为下行分层开采。有的矿区为了进行地面保护，或在特易自燃的特厚煤层条件下采用了上行充填开采，如水砂充填、风力充填等，称为上行分层开采。图1 分层开采示意图分层开采的优点是技术相对成熟，是我国长期应用的1种采煤方法，具有设备投资少、一次采高小、瓦斯治理技术相对成熟、上露岩层及地表可以实现缓慢下沉等。2 厚煤层分层开采与其它采煤方法的比较厚煤层开采的效益好，可使用的方法也相对较多，无论采用哪一种方法进行开采，都可获得较好的经济效益。在20世纪80年代初期以前，厚煤层开采的主要方法是分层开采，但是到了20世纪90年代中期后，由于放顶煤开采的效益好，产量高，在某些矿区试验
5、成功后，全国迅速推广放顶煤开采方法。近年来由于大采高开采技术装备的逐渐成熟，全国又迅速推广大采高方法，这就使得表面上看厚煤层开采经历了由分层开采、放顶煤开采、大采高开采3个阶段，似乎从技术等级上也是由普通的分层开采，经历放顶煤开采到高技术的大采高开采，但事实上并非如此。从厚煤层开采的沿革而言，经历了由分层开采、放顶煤开采、大采高开采3个阶段，但是我们不能简单地说这3种方法具有低级到高级的关系，而是针对不同条件而采取的不同方法。有些条件下，需要采取多种方法的综合。如在我国新疆等地，存在许多厚度达3050 m的煤层，对于该类煤层，显然简单的采用一种方法不尽合理，若井型条件允许，采用分层大采高放顶煤
6、开采是首选方法。因此，根据具体煤层条件选用合适的开采方法，做到与环境协调发展，使煤炭资源回收率和开采效益最大化是当前我国厚煤层开采中面临的主要问题。在放顶煤开采的高潮期，个别条件不适宜放顶煤开采的矿井也应用了放顶煤技术，使得资源回收率和开采效益不尽如人意。今天在大采高开采技术比较成熟的条件下，许多矿井都在创造条件应用大采高开采方法，也可能最后发现有些条件不适宜应用大采高技术。因此针对具体煤层条件和企业的经济实力选择合适的开采方法尤其重要。一般而言，对于井型较小、煤层瓦斯灾害严重、煤层硬度较小、地面需要缓慢下沉的矿井应用分层开采仍然是合适的开采方法。对于瓦斯较小或者瓦斯可以得到有效治理、煤层硬度
7、较小、厚度在615 m的煤层，采用放顶煤开采方法则是较好的选择。对于煤层厚度47 m，煤层硬度较大，工作面生产能力要求较大的煤层，采用大采高开采则是较好的方法。对于多数特厚煤层，如厚度在10 m以上，甚至达到30 m或者50 m时，可以综合应用上述几种方法，其实对于许多巨厚煤层，在埋深等条件允许时，也可以考虑采用露天开采方法。在厚煤层开采过程中，目前急需解决如下一些问题。3 厚煤层分层开采所面临的问题3.1 厚煤层分层开采顶板管理问题 厚煤层分层开采最突出的问题就是顶板管理问题。根据下分层顶板形成条件不同, 分层综采可分为3 类: 人工假顶分层综采、留煤皮假顶分层综采和再生顶板分层综采。目前在
8、人工假顶分层综采工作面中, 已广泛使用塑料网人工顶板。塑料网以聚丙稀为主要原料编织而成, 具有重量轻、耐腐蚀、防老化、抗静电等特点, 并且单价较金属网低。根据国内的经验数据, 人工假顶分层综采工作面单产在210 215万t/ a 左右。再生顶板分层综采, 其工艺简单、工序少、成本低、煤炭资源回收率高。但再生顶板的形成对地质条件和水文地质条件的要求比较苛刻, 此外, 还需考虑下分层开采的滞后时间、采掘接续等问题。顶分层冒落的岩块, 能否形成再生顶板, 主要取决于伪顶和直接顶的岩石性质, 对于伪顶较厚的泥质页岩, 只有铺单层网加注浆的方法, 才可形成再生顶板并达到满意的效果; 当直接顶岩石中含有4
9、0 %以上粘土页岩, 采空区湿度高, 并有足够的压力时, 也可形成再生顶板。留煤皮作假顶的分层综采, 虽然推进速度比铺网分层综采快, 也不必考虑顶板的再生问题, 但煤炭回收率较低。 目前，厚煤层顶板事故发生最频繁的是推垮型冒顶事故。人工假顶上部是上分层开采后一次或数次陷落的松散破碎矸石, 经黄泥灌浆、矸石自重压实、破碎矸石间存在一定的摩擦力及相互吸引力,有一定的粘结强度, 但与原始顶板岩石相比其强度还是很低的, 所以人工假顶下顶板的管理是受松散、破碎矸石层的特定条件控制的, 这种顶板极易分离、断裂、下沉、移动, 活动性很强。因此，这是造成推跨型冒顶事故的主要原因。3.1.1 厚煤层分层开采推垮
10、型冒顶事故的原因（1）支柱的迎山角架设不当, 形成退山或反山, 故支柱对顶板的支撑力不强, 当顶板来压时,支柱失稳而倾倒。（2）缺柱、柱子初撑力不够、单体液压支柱漏液卸载、支架架设质量差等造成顶板破碎矸石下沉分离, 引起局部网兜, 网兜四周支柱失稳, 并逐渐失去支撑力。（3）人工假顶上的破碎矸石经过黄泥灌浆互相粘结和矸石自重压实, 并由于破碎矸石间有一定的摩擦力和相互吸引力, 所以金属网假顶下顶板压力小, 支架受力不大, 根据矿压观测的结果,支柱载荷一般为150200KN/m, 因而支柱稳定性差。（4）联网质量差或网子间局部未联, 工作面发生局部冒顶, 进、回风巷道掘进时发生局部冒顶,未进行处
11、理, 形成顶板空洞, 造成金属网假顶上破碎矸石沿倾斜方向向下滑动的危险空隙, 遇有分离、断裂, 顶板即向下移动, 从而导致大面积推垮型冒顶事故。（5）开切眼重叠布置, 上分层放顶只有部分冒落, 金属网边未落, 矸石未充满采空区, 由于放炮、回柱、割煤等工序诱发条件的影响, 兜住顶板松散矸石的金属网极易带动支架向老塘倾倒移动, 而造成大面积推垮型冒顶事故。（6）开切眼内错布置, 放顶前金属网未剪断或剪网不彻底, 回柱后形成整条网兜或局部间隔网兜, 造成支架向老塘倾倒移动, 而发生大面积推垮型冒顶。3.1.2 厚煤层分层开采推垮型冒顶事故的特征（1）重大推垮型冒顶事故多发生在初次放顶期间。（2）冒
12、顶前顶板压力显现不明显, 没有征兆,是在人员工作中突然发生的。（3）突发性大, 冒顶来势猛, 速度快, 工作人员来不及避难, 从多次抢救出来的遇难者看都是在原地工作时的姿态, 几乎没有来得及跑动一步, 是人力无法抗拒的。（4）冒顶前支柱受力不大, 冒顶后顶梁、柱子没有折损, 推倒的柱子方向明显, 均沿倾斜下方被推倒。（5）冒顶后人工假顶有的沿煤壁切断, 有的沿煤壁下垂至底板, 将工作面上下端隔断, 给抢救工作和恢复生产造成极大的困难。（6）冒顶物主要为黄泥胶结后的碎煤、碎矸。（7）冒顶可发生在各种工序时间, 有的在回柱过程中, 有的在准备作业中。3.1.3 防治措施（1）搞好工作面工程质量,
13、特别是支架质量。支柱的迎山角要架设合理, 迎山有力支架齐全无损, 加强单体液压支柱的检查维护, 消除漏液卸载, 提高支柱支撑力, 以减少顶板破碎矸石的分离、下沉、断裂。（2）加强黄泥灌浆和开采时间的合理安排。黄泥灌浆可采用随采随灌和采后封闭灌浆的方法, 灌人黄土量要达到采出吨煤量的一倍, 才能粘结好顶板破碎歼石, 要尽量减少分层回采工作面未灌浆而连续开采, 同时要合理安排开采时间, 上分层开采后要有36个月的停采间隔, 使顶板矸石冒落稳定, 自重压实。（3）做好人工假顶的铺设和联结。要铺设平展联结牢固, 网边网头对结联牢, 隔一个孔或孔孔相联, 杜绝局部断网而造成冒顶。（4）分层开切眼内错布置
14、时, 第一次放顶前必须剪断靠煤柱侧的金属网, 做到断网放顶。分层开切眼重叠布置时, 第一次放顶前要在上分层网边靠煤柱侧挂网, 挂网高度同采高, 以利本分层放顶时受力均匀, 下分层掘进开切眼时在金属网下,避免掘进冒顶, 回采漏顶。（5）认真做好初次放顶期间的顶板管理。用拉钩式连接器将工作面单体液压支柱连结成“ 整体支架” , 增加支架的稳定性, 合理确定工作面支护密度。3.2 厚煤层分层开采通风问题及其解决方案厚煤层分层开采由于再生的复合顶板完整性较差,工作面漏风比较严重,尤其是下分层初期开采时,更为明显,对安全生产影响较大。3.2.1 存在问题1.工作面风速低。由于漏风造成工作面供风量小于设计
15、要求,致使风速满足不了实际需要,风速达不到原设计要求,很难将生产中的煤尘带走,往往容易造成煤尘积累超限,这对矿井安全生产威胁十分严重。2.工作面风量小。由于复合顶板的完整性较差,给工作面漏风创造了条件,生产时容易形成进、回两巷间风流短路,造成工作面供风量小,很难达到设计要求。尤其在下分层初期生产时,由于供风线路较长,漏风点多,损失的风量多,因此工作面风量小的问题更为突出。并且，由于风量小,很难将生产中产生的有害气体稀释,这对职工身体健康及安全生产十分不利。3.工作面温度高。工作面风量小势必影响工作面的温度,高温作业对职工的身体健康十分不利,从而对安全生产也会有影响的。4.其他。由于漏风,影响工
16、作面的风量,很容易造成瓦斯、煤尘积聚,严重时会发生瓦斯、煤尘爆炸。此外,漏风给上分层的采空区提供了供氧条件,极易形成煤层自燃发火,这些重大隐患对生产的威胁十分严重。3.2.2 解决方法（1）煤层注水 回采前预先注水湿润煤体,是降低煤层开采时粉尘产生量的最有效的方法。控制生产过程中的产尘量,是为了预防煤层自燃发火。此外,对工作面降温效果也比较好。因此,在生产前要按设计要求,加强煤层注水,既可降温灭尘,又有利于再生顶板形成。2.2.2 采空区注浆上分层采空区注浆效果如何,直接影响下分层复合顶板的形成;而且注浆对煤层自燃发火也能起到预防作用。加强上分层采空区注浆,提高下分层复合顶板的质量,对减少工作面漏风是十分关键的。2.2.3 喷堵进风巷进风巷靠近工作面的上隅角是漏风的关键部位,架棚巷道尤为突出。对进风巷进行喷堵,对减少漏风效果比较明显。目前主要以
