1、附录A薄煤层在复杂地质条件下综采技术研究摘要煤炭在我国的能源生产与消费结构中占有主导地位，对整个国民经济的发展起到支撑作用。煤炭资源的大规模开采，一方面满足了我国经济建设的需要 ，另一方面也使许多矿井提前达到服务年限，面临资源枯竭等后续发展问题1-3。为了研究复杂地质条件下的薄煤层综采技术，通过 FLAC3D 数值模拟及现场矿压观测等手段，确定了石圪节煤矿8101薄煤层综采：作面的合理布置方式，掌握了薄煤层综采工作面的矿压显现规律。研究结果表明：三种布置方案均可行，但第一种方案为最优方案，即工作面沿底布置，割掉一部分顶板；工作面支架载荷的分；煤特点为：工作面两端压力小于中部压力，尤其是上部测站
2、的压力偏低，支架没有很好的发挥性能，应当在生产过程中加强对上部支架的管理；工作面支架平均初撑力为 17.27 MPa，是额定初撑力31.5 MPa的54.8，平均工作阻力为28.45 MPa，为额定工作阻力40.7 MPa的69.9，所选支架完全能够满足工作面对顶板的支护要求。 目前，石圪节煤业公司的上组煤（3# 煤）资源已接近枯竭，按照集团公司的统一部署，石圪节煤业公司以开拓下组煤来保证矿井今后的生产能力。潞安矿区尚未有大规模薄煤层综采的先例，而下组煤在矿区普遍存在，且地质条件变化大、煤层厚度小，平均厚度仅 1m左右，在这样的复杂地质条件下采用综合机械化开采技术，首先需要对工作面的合理布置方
3、式进行研究；其次，需要掌握薄煤层综采工作面的矿压显现规律。文章结合石圪节矿的实际情况，采用 FLAC3D 数值模拟及现场矿压观测等手段，对该矿的薄煤层综采技术进行研究，这既解决了现场的生产技术难题，又丰富了薄煤层综采方面的理论及技术，对煤矿安全高效生产有着十分重要的意义。1地质概况石圪节煤矿 +785m水平 8101工作面为 8# 煤层首采工作面，走 向长度为 1 647 m，倾 向长度200 m，其切眼北部 、东部存在一条空巷 ，巷道已密闭，其它均为实体煤。煤层以光亮型为主，暗煤次之，夹少量镜煤条带。煤层普氏系数f=1520，煤层结构为 05 m煤、02 m矸、04 m煤，煤层总厚为 11
4、m，容重为 152 tm3 ，埋藏深度为 203288 m。 根据现有地质资料来看，该工作面地质条件较为简单，煤层总体为一单斜构造，无断层，无炭柱等地质构造，走向近南北 ，向西倾斜，煤层倾角为2煤层地质构造情况见表 1所示，其综合柱状见图 1所示：图 1 工作面综合柱状2 回采工作面优化布置研究21 工作面布置方案 通过对工作面基本情况进行分析发现，煤层平均厚度为 11m，而采煤机采高为 16m，因此工作面可采用三种开采布置方案：第一种方案，工作面沿底布置，即割掉一部分顶板；第二种方案，工作面沿顶布置，即割掉一部分底板；第三种方案，工作面沿中间布置 ，割掉一部分底板和顶板。22 数值计算模型的
5、建立 模型依照实际地质情况建立，为消除边界效应的影响，整个模型尺寸设计为：1 650 m(x )408.1m(y)145.1m(z)，计算模 型共划分为145 632个单元体，155 496个网格节点。在数值计算的过程中，煤层及顶、底板岩层的各力学参数按表2选取，模型的网格剖分、自重条件下达到地应力平衡状态时垂直应力(Szz)云图及根据现场实际支护情况进行的巷道支护模拟见图2所示。图 2 数值计算模型23 计算结果及分析 在开采过程中，老顶初次来压、周期来压步距及来压强度是非常重要的两个开采工程参数。虽然FLAC3D 软件是一个静力学计算软件，不能模拟顶板破坏、运移和垮落的整个动态过程，但可以
6、通过判别顶板单元破坏的类别和范围来判别来压步距及强度4-5。工作面每次推进 15 m，其推进过程中应力分布情况见图3所示。图 3 三种方案工作面处应力云图 通过对工作面三种布置方案的应力云图进行分析发现：1)开切眼时，三种方案的工作面应力降低区及应力增高区均不明显。2)在工作面正常推进过程中，第一种方案工作面应力降低区的应力约为 35 MPa，第二种方案约为 27 MPa，第三种方案约为 3 MPa。3)在工作面正常推进过程中，第一种方案峰值应力约为5 MPa，第二种方案约为45 MPa，第三种方案约为5 MPa。4)三种方案的超前峰值应力的超前距离均约为15m。从以上分析发现：第一种方案的工
7、作面应力大于第三种方案，第三种方案大于第二种方案，这主要与方案布置不同导致的工作面顶板岩性不同造成的。第一种方案割掉的顶板岩层最多，工作面悬露的岩层强度相对较大，工作面处垂直应力相对较大，但位移量相对较小，第二种方案则刚好相反，这基本符合悬臂梁理论。工作面每次推进 15 m，其弹塑性区图见图4所示。通过对工作面三种布置方案推进过程中的破坏区图进行分析发现： 1)三种方案在开切眼时均未发生拉剪破坏。 2)方案一在工作面推进到60 m时工作面发生了较大范围的剪切破坏，方案二和方案三都是在工作面推进到75 m时才发生大面积的剪切破坏，后两种方案的破坏范围明显大于第一种方案，这说明方案一的来压步距较小
8、，但同时来压强度也较小。3)通过观察发现，三种方案的工作面顶板均未发生大面积的拉破坏，说明三种方案的工作面来压强度均不明显。4)三种布置方案在工作面上下端头附近均出现了较大的拉破坏区，因此应当适当加强端头支护，可考虑采用端头支架。从应力及破坏区的角度进行分析发现，三种布置方案的来压强度均不明显，三种布置方案均可行，但从方案的优化角度进行考虑，第一种方案为三种方案中的最优方案，即：工作面沿底布置，割掉一部分顶板。3 现场矿山压力研究 31 支护强度分析 液压支架初撑力、工作阻力不仅能够反映支架的工作特性和工作状态，而且能够在一定程度上反映工作面周边的岩层结构、应力分布，因此了解并掌握工作面液压支
9、架工作阻力的分布规律，不仅有助于确定合理的支架结构类型和合理的工作阻力、初撑力等支护参数，而且有助于了解上位岩层的运移特征、所形成结构的特点等。采用 KJ385型在线矿压监测系统对石圪节煤矿开采过程中支架的工作阻力及初撑力进行观测。8101工作面采用 ZY40001 124型掩护式支架进行工作面支护，采用 ZYG48001428型液压支架进行端头支护，实行全支护跨落法管理，最小控顶距：Lmin=L粱+D端面距=3850+350=4200 mm；最大控顶距 ：Lmax=L粱+ L截深 +D=3850+600+350= 4800 mm。从运输巷至回风巷依次编号为 1136号支 架，中 间支 架 支
10、 护 强 度 为 700 kNm 31392 kNm (理论计算值)，端头支架支护强度为750 kNm2 31392 kNm 2(理论计算值)，从理论计算角度发现，均可以满足工作面对顶板的支护要求。32 测站布置及观测结果 将工作面分为上、中、下三段进行监测，共设三个测站，上部测站安装三个压力传感器，中部测站安装四个压力传感器，下部测站安装三个压力传感器。其中3# 、17# 、32# 支架组成上部测站，47# 、62# 、77# 、92# 支架组成中部测站，107# 、122# 、135# 支架组成下部测站。图5是8101工作面整面工作阻力曲线图，表3为上部测站三台液压支架工作阻力的观测统计结
11、果，表4为中部测站四台液压支架工作阻力的观测统计结果，表 5为下部测站三台液压支架工作阻力的观测统计结果。从以上图表中可以发现工作面的矿压显现规律具有以下特征 ： 1)在工作面的回采循环中，工作面液压支架的载荷总是逐渐增大，但是十台液压支架的工作阻力变化趋势却并不相同。上部及下部支架压力较小，中部支架压力较大，其中17# 、32# 、47# 、62# 、77# 液压支架的工作阻力曲线是典型的恒阻式液压支架特性曲线，说明其承受的顶板压力较大，较好的发挥了液压支架的效能。2)从支架前、后柱受力情况来看，上部测站的前后柱受力基本持平，中部测站的前柱阻力稍大于后柱阻力，下部测站的后柱阻力稍大于前柱阻力
12、，这说明上部测站和下部测站的顶板较稳定，没有发生明显破碎，而中部测站则较破碎，这一点也可以从工作阻力曲线图中反映出来。中部测站由于液压支架对顶板的反复支撑，造成顶板较破碎，而上、下部测站的支架则很少达到支架的额定工作阻力，没有对顶板进行反复支撑，顶板较稳定。3)工作面支架所承受的顶板压力较小。支架平均初撑力为 17.27 MPa，是额定初撑力 31.5 MPa的 548；工作面支架的平均工作阻力为2845 MPa，为额定工作阻力 407 MPa的 699；承受载荷最大的77# 架其平均工作阻力为35.51 MPa，相当于额定工作阻力的 87，最小的3# 架平均工作阻力为 15.61 MPa，仅
13、为额定工作阻力的 38.4 。由此可见 ，所选的ZY4000I 124型压支架的性能完全能够满足工作面对顶板的支护要求。4)沿工作 面全长支架载荷的分布特点为：工作面两端压力小于中部压力，尤其是上部测站的压力偏低 ，支架没有很好的发挥性能，因此应当在生产过程中加强对上部测站支架的管理，工作面中部 77# 支架工作阻力最大，表明工作面中部载荷较大，矿压显现比较显著。5)由于采高较小，煤层很薄且中间还有夹矸，由以上曲线发现工作面初次来压及周期来压现象均不明显，这与 FLAC3D如数值模拟结果基本吻合。 6)由于其它原因，工作面推进过程中出现过较长时间的停产现象，对工作面矿山压力显现规律存在一定得影
14、响。4 结 论 1)通过进行 FLAC3D如数值模拟发现，从垂直应力及破坏区的角度进行考虑，三种布置方案均可行，但从方案的优化角度进行考虑，第一种方案为三种布置方案中的最优方案，即：工作面沿底布置，割掉一部分顶板。2)通过进行现场矿山压力监测发现，沿工作面全长支架载荷的分布特点为：工作 面两端压力小于中部压力，尤其是上部测站的压力偏低，支架没有很好的发挥性能，应当在生产过程中加强对上部支架的管理；3)工作面支架平均初撑力为 l7.27 MPa，是额定初撑力31.5 MPa的54.8；工作面支架的平均工作阻力为 28.45 MPa，为额定工作阻力 40.7 MPa 的69.9，所选的 ZY400
15、01124型液压支架完全能够满足工作面对顶板的支护要求。参考文献： 1司荣军，姜福兴放顶煤工作面顶煤分类及应用研究 J煤炭科学技术，2009(1)：6367 2尚海涛，王家臣综采放顶煤的发展与创新 M徐 州 ：中国矿业大学出版社，2008：2023 3陈海波，盂宪锐含厚夹矸煤层的综放开采J黑龙 江科技学院学报，2010，14(4)：26927 4肖红飞，何学秋 ，冯 涛基于 FLAC 模拟的矿山巷 道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究J岩石力学与工程学报，2005(5)：812817 5陈忠辉，谢和平 ，王家臣综采放顶煤三维变形破坏的 数值分析 J岩石力学与工程学报 ，2002，21(3)：309 313附录BStudy of Thin Seam Full M echanized Technology underComplex Geological ConditionsAbstractCoal in Chinas energy production and consumption structure of a dominant position, on the whole national economy played a s
