1、大采高综采工作面片帮防治分析摘要：大采高采煤所具有的优势使得在国内外被广泛地采用，但片帮冒顶制约了大采高综采工作面安全高效开采， 因此对大采高综采工作面片帮机理进行分析，发现影响工作面片帮的因素有采高、内摩擦角等。运用数值模拟的方法研究了不同采高下的煤壁片帮条件及临界护帮长度， 并结合神东矿区的煤层条件，提出提高支架前端的护帮力、支架初撑力和前端支顶力， 增加护帮的长度等控制大采高综采工作面片帮的6种措施。关键词：大采高综采； 片帮冒顶；数值模拟； 护帮长度；采高；防治措施引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、
2、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000k了，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3. 56. 0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效
3、方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高装备技术后，综采工作面日产量可达万吨，取得了举世瞩目的成绩。据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3. 56. 0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架(支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大)控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。对于煤层倾角小于30的厚煤层(3.56.0m)开采，大采高综采与综采采煤法相比
4、，具有下列优点:煤炭资源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好;对于34m不适宜综采开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点:工作面生产能力大，有利于合理集中生产;回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低;回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间;节省材料(人工假顶材料等)和回采成本低等。高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤层(3. 56. 0m)开采技术的主要发展方向之一，其优势使得在国内外被广泛采用。但大采高综采工作面易发生片帮, 如果不
5、及时采取有效措施, 将严重影响工作面正常生产。据统计, 大采高综采工作面支架围岩事故总量是一般综采工作面的数倍。因此, 做好大采高综采工作面煤壁片帮原因分析及防治可以保证大采高综采工作面高产高效的生产。1 国内外研究现状1.1大采高综采技术现状1.1.1国外现状德国、波兰、英国、俄罗斯、捷克、日本等国从60年代开始就发展采用大采高综采技术。早在60年代，日本曾设计了一种6m采高并带中间平台的液压支架，获得了日本国家设计奖。德国在1970年使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿4m厚的7号煤层，德国拥有的大采高液压支架架型包括威斯特伐利亚BC-26/26、赫姆夏特T50-22/60、蒂森RHS
6、26-60BL及6320-23/4型大采高液压支架。前苏联采用M120-34/49型掩护式支架、波兰采用POMA22/46型掩护式支架、捷克使用F4/4600型支架作为大采高液压支架。目前，国外厚煤层大采高液压支架的最大支撑高度达7m，采煤机最大采高达5. 4m。各国的生产实践表明，在一些良好的地质和生产技术条件下开采较硬的煤层，大采高综采实现了高产高效、高安全、高回收率和经济效益好的目标。国外一般认为:设备重型化和尺寸加大、煤壁片帮与顶板冒落、高架稳定性、大端面顺槽开掘与支护、采面运输等都是限制大采高综采取得显著经济效益和推广应用的障碍。因此，世界主要产煤国至今仍在积极改进、完善大采高液压支
7、架，并不断进行现场实践和扩大大采高综采的应用范围。1.1.2国内现状我国从1978年起，开始试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法，至今已取得了长足进步。在神东、邢台、开滦、铁法、西山、徐州、枣庄等矿区得到了广泛推广使用，效益良好。于1978年引进德国赫姆夏特公司6320-23/45型掩护式大采高液压支架及相应的采煤运输设备，在开滦范各庄矿1477综采工作面开采7号煤层，开采效果良好。1985年在西山矿务局官地矿首次进行国产BC520-25/47型支撑掩护式大采高液压支架试验，开采的8号煤层平均厚度4. 5m，倾角小于50，在采高4. 0m及II级3类顶板条件下，支架经历了仰斜、俯斜和斜推使用，综
8、采工作面3个月产煤11. 2万t。1986年我国研制的BY3200-23/45型掩护式支架在东庞矿试验成功，19871988年东庞矿又与北京煤机厂合作研制了改进型BY3200-23/45型和BY3600-25/50型掩护式大采高液压支架，并成功地应用于东庞矿2号煤层开采。开滦矿务局林南仓矿采用BY3200-23/45型掩护式支架在1182综采工作面开采8-1煤层，支架在煤层倾角638(平均倾角22)及II级2类顶板条件下，经历了过老巷、断层和无煤柱等恶劣条件的考验，工作面平均月产煤4万t。西山矿务局官地矿、西铭矿及双鸭山局新安矿使用BC480-22/42型支架，总体效果良好。义马矿务局耿村矿选
9、用QY350-25/47型二柱掩护式支架，并于1987年10月在12061工作面安装投产，总体来看义马煤田厚煤层的工程技术条件能适应45m厚煤层综采一次采全高的技术要求。此外，徐州矿务局权台矿在“三软”(顶软、底软、煤层软)煤层，大同矿务局在“三硬”煤层条件下，分别研制了端面支撑力大、底座比压小的ZYR3400-25/47型短顶梁插腿掩护式液压支架及支撑能力大、切顶性能强、整体稳定性好的TZ10000-29/47型支架，大屯徐庄矿在2004年9月开始利用新研制的大采高综采支架回采近距离煤层下组煤。经过10余年的发展，我国研制和生产的大采高液压支架己有10余种架型，支架结构高度最高为5m，支架工
10、作阻力最高达l0MN/架，架型有二柱掩护式和四柱支掩式两种，前梁有挑梁式和伸缩梁式两种，底座有插腿和非插腿式两种，推移机构有长、短框架和带移步横梁的多种，护帮板长度从0. 8m增加到2. 2m。从全国使用情况看，年产逾百万吨的大采高综采队中，最高年产已达170万t，回采工效达87. 9t/工。1.1.3大采高综采技术发展趋势采煤机的选型上以宁大勿小为原则。近年来，采煤机的截割速度一直在增加，目前采煤机的截割速度一般在12 15m/min，一些新研究开发出来的采煤机的截割速度达到了2436m/min;截割功率、牵引功率更高更大，总装机功率将超过2400kW。工作面液压支架工作阻力更高、单架支护面
11、积更大，设计手段更先进，设计使用寿命要大于60000个循环。为满足采煤机截割深度大于1000mm的要求，增加支架顶梁的长度，以维护工作面顶板，防治冒顶;液压支架的宽度有1. 5m和1. 75m两种，从目前看还有加大的余地，支架中心间距可达到2000mm，可以增加大采高支架的稳定性，以满足增加支撑力的要求。随着采高、工作面长度及生产能力的不断增长，工作面输送机链的直径也不断增大。刮板输送机的输送长度达到300m，小时运输量可达到5000t，输送机溜槽宽度、链条直径、总装机功率等都要增加，链条直径达到48mm以上，总装机功率达到3200kW,供电电压可达到4160V。1.2 大采高综采岩层运动的基
12、本特点1 . 2.1岩层移动层状岩体结构是煤系地层的重要特征, 随着煤层的采出, 上覆岩层自下而上依次运动, 下位岩层呈现明显的剥离特征, 由于岩层强度、分层厚度以及层、节理发育情况不同,各岩层的运动和垮落步距也有所不同, 并且呈现出明显的成组运动特征, 某些强度较大而又相对较厚的岩层可形成结构层, 又叫作关键层, 它在岩层的运动过程中起着决定性的作用, 而那些强度较低或厚度较小的岩层作为关键层的载荷,通常将在同一组岩层中最下位岩层作为关键层。单一煤层及厚煤层顶分层开采时, 支架直接支撑的是完整性较好的直接顶岩石, 与煤体具有明显的分界面, 两者的强度也具有较大的差异。由于一次采出煤体的空间小
13、, 直接顶垮落后即可对采空区进行比较充分的充填, 因此, 工作面上覆岩层垮落带及断裂带发展高度较小, 即直接顶厚度较小。老顶断裂时, 其回转运动首先通过直接顶作用支架顶梁,即首先表现为支架增阻。对于大采高开采而言, 由于采高加大, 采空区空间有了较大幅度的增加, 只有更高的垮落带才能维系整个采场岩体的平衡。由于岩层顶板的分层垮落特性, 原直接顶岩层垮落后不能充满采空区时, 一定厚度的下位老顶岩层将作为规则垮落带来弥补采空区充填的不足, 这样, 直接顶的厚度增加。实测大采高采场直接顶的垮落高度通常为煤层采出厚度的2. 0- 2. 5 倍。采高增大使直接顶的垮落度增加, 但直接与支架作用的仍是完整
14、的直接顶岩石, 具有较好的传力效果, 因而矿压显现明显增大。当局部矿体采出后, 在岩体内部形成一个采空区, 导致周围岩体应力状态发生变化,从而引起应力重新分布,使岩体产生移动变形和破坏,直至达到新的平衡。随着采矿工作进行,这一过程不断重复。它是一个十分复杂的物理、力学变化过程,也是岩层产生移动变形和破坏的过程, 这一过程和现象称为岩层移动。当地下煤层开采后, 采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力作用下,产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层重力的应力强度时, 直接顶板首先断裂、破碎并相继冒落,而基本顶岩层则以粱、板形式沿层面法向方向移动、弯曲,进而产生断裂、离层。随着工作面的向前推进
15、,受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时(0.2H0.3H,H为采深),岩层移动发展到地表, 在地表形成一个比采空区范围大得多得下沉盆地如图1所示。1.2.2煤层覆岩的移动形式(1)弯曲岩层发生弯曲变形是煤炭采出后必然的表现。当地下煤层采出后,煤层上面有许多分层, 一般有三层即: 伪顶、直接顶、老顶。煤炭采出后,伪顶、直接顶先冒落,随着采空区面积的增大和时间的推迟, 老顶及以上岩层开始下沉直到地面。在岩层下沉的同时有岩层的拉伸断裂, 会出现断裂破碎的现象,虽然岩层的原始结构被破坏了,但垮落后的一些特性还是不变的。最特殊的就是层里还是不变。(2)顶板冒落地下的煤炭资源被采出后, 岩层的
16、强度受到覆岩的重力的影响, 当岩层的破断极限达到时, 伪顶、直接顶、老顶开始断裂和破碎,把采空区充填满。岩层原有的结构特性被改变。煤炭采出后,立即冒落的是伪顶, 随着工作面的推进直接顶垮落充填采空区。起到支撑顶板继续下沉。(3)岩层剪切煤层在地下的埋藏大多数都不是水平的, 覆岩的自重力方向、岩层的层理面、两者不垂直。煤层上方的覆岩受自身的重量的作用,会产生多种形式的弯曲和运动,破坏。主要有沿层面法线方向弯曲、沿层理面方向的移动、相邻岩层的剪切运动。岩层的倾角越大弯曲和移动越明显。1.3煤壁片帮破坏的2种形式由于煤壁承受顶板压力以及自身重力, 其破坏形式主要表现为: 拉裂破坏和剪切破坏(图2)。图2煤壁片帮的破坏形式示意1.3.1煤壁拉裂破坏煤壁拉裂破坏常见于脆性硬煤中, 该类煤壁的容许变形量小, 煤壁在顶板压力作用下产生横向拉应力, 而横向拉应力不能通过煤体的变形而释放或者缓解, 因此当横向拉应力
