大采高综放采场围岩控制技术

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【摘 要】大采高综放开采资源回收率高，煤炭质量好，能实现高产高效，经济效益好，近年来在我国得到广泛应用。尽管如此，大采高综放工艺仍存在许多问题，尤其是支架一围岩关系更为复杂，目前尚无系统的理论成果指导大采高综放实践。本文拟在大采高综采面矿压显现规律基础上，探讨大采高综放采场支架与围岩关系，进一步指导同类采场的生产实践。研究表明，大采高综放采矿压显现的一般规律为支护强度高，动载系数小，支架载荷分布以正态为主，来压时煤壁片帮，但并不严重，大采高支架载荷与顶板类别不明显，支架初撑力与工作阻力呈线性关系，支护强度与采高呈正比关系，支架受力以围岩静载为主。

【关键词】大采高；围岩控制；矿压显现规律；支架围岩关系

近年来我国己经研制了适合大采高综放开采的新型放煤支架和相关的设备，综放工艺和提高采出率的相关技术得到了较大的提高。在特殊地质条件下开采特厚煤层中，大采高综放开采技术也得到了较好的应用，经济效益有了较大幅度的提高。尽管如此，大采高综放工艺仍存在许多问题，这些问题制约着大采高综放技术的进一发展及推广，尤其是支架一围岩关系更为复杂，目前尚无系统的理论成果指导大采高综放实践。本文拟在大采高综采面矿压显现规律基础上，探讨大采高综放采场支架与围岩关系，进一步指导同类采场的生产实践。

1 矿压显现规律

与普通采高综放相比，大采高综放加大了割煤高度，增大了放煤空间，这样必然引起上覆岩层形成的结构及运动规律也发生了变化，因此，大采高工作面的顶板控制也必然不同于普通采高。通过对大采高综放采场矿压观测，掌握工作面的支护强度、支架载荷及相关矿压显现特征，进而研究上覆岩层运动规律，为研究支架和围岩之间的关系以及优化支架选型奠定了基础。本文通过分析满洲里市扎来诺尔扎煤公司灵东矿4个采用大采高放顶煤技术的工作面的矿压实测资料，总结了矿压显现的规律。

（1）大采高综采工作面支护强度高，动载系数小。由表1可知，大采高工作面支护强度平均达到799kN/m，，较我国顶板分类所要求的支护强度高10-30%。虽然统计工作面的顶板类型不同，但动载系数差别不大，一般为1.2-1.3，均较普通综采的动载系数小。

（2）支架载荷分布以正态为主。由工作面支架阻力直方图（图1），大采高阻力基本上为正态分布，直方图显示虽然有双正态叠加趋势，但第二峰值很低，近似于正态特征。大采高综采工作面来压时煤壁片帮，但并不严重，且可控制。如1508工作面的观测平时片帮率仅14.9%，片帮深度平均仅0.39m，来压期间片帮率4.73%，片帮深度为0.55m，初次来压的片帮率虽然高达42.5%，但片帮深度也仅0.49m。又如13302工作面煤层上部较软，抗压强度11MPa左右，在平时也仅是局部片帮，来压时也只在工作面中部有1.1-1.6m深的局部片帮，煤壁比较容易控制，在梁端距550mm的情况下，不影响控顶和生产，工作面平均日产达1.3万t，最高日产3.13万t，实现了高产高效。说明只要支护强度有保证，大采高综采工作面矿压显现比较缓和，不强烈。

表1 大采高工作面支护强度及动载系数统计表

工作面 采高m 最大平均支护强度Qd kN/m2 顶板分类支护强度Qp kN/m2 Qd/Qp 动载系数 顶板分类级别 动载系数范围

1302 4 780 715 1.09 1.26 II 1.3-1.5

1508 4.3 833 715 1.11 1.28 II-III 1.6-1.7

11503 3.5 727 660 1.1 1.2 I 1.1-1.3

13302 4.5 857 715 1.2 1.2 II 1.3-1.5

图1 大采高工作面阻力分布直方图

2 支架围岩关系

井下采掘活动破坏了围岩的应力平衡状态，引起应力的重新分布。重新分布后的应力如果超过煤岩的强度极限，则必然引起地下工程结构不同程度的破坏，并引起一系列的矿压显现现象，对矿井生产带来重要影响，如煤壁片帮、底板鼓起、直接顶破坏加剧、巷道变形、冲击地压、瓦斯突出等。认识并掌握支架与围岩关系，在生产实践中利用、改变支承压力的分布，是矿山围岩控制的重要内容之一。

2.1 支架载荷与顶板类别关系

根据我国现行的顶板分类，顶板的支护强度随基本顶的级别增大呈线性增大，这是因为采场来压的强度与顶板岩体结构失稳和来压步距大小直接相关。对于大采高综采，这一关系不明显。如表1中1302工作面直接顶为厚5m的泥岩、砂质泥岩，老顶为16m厚的砂岩层，在普通综采条件下为II级顶板，支护强度不超过715kN/m2，但实际上达到780kN/m2。1508工作面顶板为厚层状砂岩顶板，近乎III级老顶，支护强度应880kN/m2，但实际支护强度833kN/m2。

2.2 支架初撑力与工作阻力关系

初撑力与工作阻力关系曲线表明（图2a），初撑力及工作阻力曲线为线性关系。这与普通综采在达到临界初撑力后工作阻力的增长速度变慢的对数关系 （图2b）。大采高综采的线性关系显示了其以静载为主的特性，岩体结构的失稳对采场支架无明显影响。

（a） （b）

图2 大采高工作面初撑力与工作阻力关系

2.3 采高与支护强度关系

大采高工作面煤壁支架加高， 煤壁片帮随采高增大非线性增大。煤壁片帮增大了端面距，导致顶板漏冒的概率加大，冒顶时岩块落入综采工作面工作空间内会严重影响生产的正常进行和工人的安全，加剧了工作面装备的磨损和老化，使液压支架的受力状态恶化，甚至会出现严重损坏，导致支架平衡千斤顶大量损坏甚至出现倒架事故。通过4个大采高综采工作面采高与支架阻力研究表明，采高与支护强度呈正比线性关系，即伴随着采高的增大，工作面支护强度线性增大，对支架的要求随之增高。

2.4 支架受力分析

支架受力以围岩静载为主，也就是支架基本上承受着大约4倍左右采高的顶板岩重加上其悬顶重量，由于控制的顶板层位高，其上岩体结构失稳的动载对支架本身影响不大，即使有较大的动载荷，也由于有4倍采高厚的破碎研石做垫层，也很难传递给支架，因此虽然载荷大，但动载系数很小，是以静载即顶板的重力加在支架上的。大采高支架结构高度大，自身稳定性差，易发生高架稳定性事故，我国高架稳定性事故率高达6%-10%，远比普通综采严重。由此可见，大采高采场的围岩控制中，支架自身的稳定性至关重要，同时要有良好的支架围岩关系，以控制端面漏冒及台阶下沉。

3 结论与建议

（1）大采高综放采矿压显现的一般规律为支护强度高，动载系数小，支架载荷分布以正态为主，来压时煤壁片帮，但并不严重，且可控制，只要支护强度有保证，工作面矿压显现比较缓和，不强烈。

（2）大采高支架载荷与顶板类别不明显，支架初撑力与工作阻力呈线性关系，支护强度与采高呈正比关系，支架受力以围岩静载为主，支架基本上承受着大约4倍左右采高的顶板岩重加上其悬顶重量，支架良好的稳定性及与围岩关系可控制端面漏冒及台阶下沉，保障安全生产过程。

参考文献：

[1]何富连，钱鸣高，刘长友.高产高效工作面支架一围岩保障系统[M].徐州：中国矿业大学出版社，1997.

[2]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[3]赵宏珠.大采高支架的使用及参数研究[J].煤炭学报，1991（1）.