浅埋煤层综放工作面开采煤柱矿压显现规律研究_杨文浩.pdf

浅埋煤层综放工作面开采煤柱矿压显现规律研究杨文浩（山西西山矿业管理有限公司，山西太原030053）摘要：针对西坡矿 5106 工作面中部地质构造隆起，导致工作面走向和倾向方向上都存在不同程度的倾角，工作面在开采时易造成顶板的偏应力集中，低水平位置的回采巷道矿压显现会更加剧烈的问题，对大倾角综放开采放煤工艺进行针对性优化，以提高顶煤的采出率。关键词：综放工作面；大倾角；围岩压力中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0129-020引言我国煤炭赋存条件复杂，大倾角煤层分布广泛，与缓倾斜煤层相比，大倾角煤层的采场顶板运移规律有很大不同。目前我国的矿压研究大多是针对缓倾斜煤层进行的，对大倾角煤层研究较少。目前对于综采，特别是综放大倾角煤层工作面开采采场围岩矿压分布规律相关研究较多，但涉及到双倾斜工作面整体较少1-2，且由于不同矿井煤层赋存采矿地质条件不同，开采方法各异，深入系统地开展相关研究工作需持续进行，以满足现场工程技术需求。西坡矿针对 5106 工作面中部有构造隆起，导致工作面走向和倾向方向上都存在不同程度的倾角，形成倾斜综放工作面，尤其是 5106 工作面在开采过程中，面临大坡度俯采条件，对综放工作面的设备稳定性产生影响，同时也给顶煤放出和采场矿压控制带来影响。1矿井概况西坡煤业有限公司位于山西省吕梁市柳林县西北部，距柳林县城 28 km，生产规模为 120 万 t/年，煤种为优质炼焦用煤。5106 工作面为采区的首采工作面，其中涉及三条掘进巷道，包括进风巷、回风巷和开切眼。采区煤层的厚度为 1.411.93 m，煤层厚度平均数值为 1.6 m，煤层的倾斜角度为 2.66.4，煤层倾斜角度平均值为 4。矿井建设和生产准备过程中，在先期开采范围，经井巷工程实践，先后发现 1 条落差 5 断层，矿井中小构造较为发育，对采区合理划分和工作面连续推进有一定影响，同时也给煤放出和采场矿压控制带来挑战。2倾斜工作面综放开采的数值模拟分析2.1数值模型建立西坡矿采用 FLAC3 有限差分析软件，以 5106 工作面为工程背景，建立 FLAC3D 三维计算模型进行数值模拟。该工作面长度 250，平均推进长度 1050，煤层埋深约为 235，平均厚度 12，煤层平均倾角9.5，煤层平均俯角 15，采用综采放顶煤方法开采，工作面直接顶为砂质泥岩，直接底为泥岩。煤层上部无松散层，均为岩层，上覆 5 号煤层，下覆 号煤层。为了研究和掌握开采过程中顶板的力学变化过程及对工作面的力学作用等，应用合理的数值方法与软件进行计算和分析以及预测是目前行之有效的方法之一。研究采用数值计算软件 FLAC3D 对 5106 工作面进行计算分析，研究不同推进距离和工作面是否为倾斜情况下的垂直应力场分布规律、垂直位移场分布规律和塑性区分布规律。根据 5106 工作面的煤层底板等高线，在软件中绘制出底板等高线点云图后导入FLAC3D 数模拟软件中，建立浅埋倾斜综放工作面的计算机数值模拟三维模型，如图 1 所示。通过模拟工作面的回采过程，观察采场围岩应力分布的变化情况。为了方便对比，建立了近水平工作面模型，回采强度完全相同。2.2模型结果分析工作面的开采将会引起应力场重新分布，在工作面前方会形成垂直应力和水平应力集中，垂直应力集中后形成超前支承压力。通过分析工作面应力场的分布，有助于更好掌握矿山压力的显现规律。当煤层被开采后，采空区上下围岩形成应力释放区。采空区正中间处顶板及底板应力释放最为充分，并以此为中心，向外围形成圆弧状的应力递增圈，上下呈对称分布。下页图 2 中应力均为负值，表明岩体均受压应力的作用。图 2-1、2-2 为工作面倾向垂直应力场，沿工收稿日期：2022-04-29作者简介：杨文浩（1989），男，山西太原人，本科，毕业于大同大学采矿工程专业，工程师，从事煤矿生产技术管理工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.049图 15106 工作面三维数值模型理论研究山西冶金E-mail:第 46 卷（下转第 138 页）图 2倾向、走向垂直应力（MPa）场作面倾斜方向，煤层采场围岩中有动态应力拱的存在。通过对比图 2-1、2-2 可以看出应力拱存在着明显的非对称性特征，顶板应力拱外形轮廓线逐渐发生偏移。由此可见，工作面方向倾斜时，煤层工作面支架所承受的力较大，支架稳定性降低。采动影响下，在工作面下端头形成明显的应力集中区，而在工作面上端头，垂直应力集中现象不明显。随着工作面的推进，在工作面推进方向上工作面的垂直应力会在上下两端头形成不同程度的应力集中现象。3开采工艺及顶煤放出规律综放开采是厚煤层开采的主要方式之一，综放开采过程中放煤方式的选择对顶煤的冒落形态及顶煤回收产生直接影响，放煤方式包括放煤口打开的顺序、次数以及不同数量支架间的组合等。结合西坡矿5106 工作面的煤层赋存特征建立离散元数值模拟模型，利用软件模拟厚煤层放顶煤开采过程中顶煤流动规律及冒落情况，掌握顶煤流动及放出规律，研究不同放煤工艺下顶煤采出率及顶煤放出量规律，从而确定最优的放煤工艺，提高顶煤采出率。3.1建立模型结合西坡矿 5106 综放工作面的煤层赋存特征来建立数值模拟模型，研究厚煤层开采顶煤冒落规律。模型煤层厚度取 11.6，采高取 3.7，顶煤厚度为7.9。矸石粒径为 90 mm，密度为 2 300 kg-1m3，摩擦因数 0.4；顶煤粒径为 60 mm，密度为 1 350 kg-1m3，摩擦因数 0.4。数值模拟中 5106 工作面煤以及其上覆岩层用二维颗粒模型建模，模型沿工作面支架布置方向，下部为煤，上部为破碎顶板，模型长度为 60 m、宽度为 36 m。3.2模拟结果分析模拟 0、10、20推进角度下，顶煤颗粒放出的形态和规律都遵循了“切割变异椭球体”理论，放出体各部分发展不均衡，其前部一直超出椭球体的范围，发育最快。但也可以明显看出，当推进方向角度为20时，在液压支架上方的终止煤岩分界面向左侧凸出的趋势最为明显，同时出现煤颗粒和矸石颗粒混合的区域也向左侧偏移的最多。而在放煤过程中，液压支架上方附近的煤颗粒很难被放出，因此，当推进方向角度为 20时，此区域的煤量也最多。当推进方向角度为 0时，煤颗粒和矸石颗粒混合的区域在放煤口的正上方，能够被顺利放出的煤颗粒也就越多。所以一般在俯斜综放开采时，会发现其采出率较低。随着工作面向前推进，移架后开始放煤的初始位置也是在上一轮放煤结束时的终止煤岩分界面处，上一轮在液压支架掩护梁和顶梁上方未顺利放出损失的煤颗粒会在本轮放出，本轮的煤颗粒放出量会得到增加，总体来看连续移架后放出的总煤量也没有减少。通过模拟和对比分析，最终确定了西坡矿的放煤方式是一刀一放、两轮顺序放煤。4效果分析通过 FLAC3D 对倾斜工作面综放开采的数值模拟分析，掌握了西坡矿 5106 综放工作面的矿压显现规律，并对现场提出了管控措施。针对回风巷受二次采动影响、巷道变形量大，提出“一梁六柱”的支护方式，同时加大超前支护距离。具体为：采用 型钢梁单体支柱支护，每排支护 6 根单体支柱，排距为 1，巷道压力大时可将排距减小为 800 mm，将超前支护距离增大为 50 以上，有效主动支护回风巷顶板，显著减小了巷道变形量。回风巷支护设计如图 3 所示。考虑回风巷单体支柱打设较多，打设难度系数大，一般单体支柱质量均在 100 kg 以上需要多人配合进行支设，费时费力且安全隐患较多，矿井回风巷坡度为 13，最大坡度达 18，在坡度段时支设难度尤为突出。为有效解决该问题自行研究设计了自移迈步式单体支柱支护车，该单体支柱车通过使用废旧阀组、工字钢及液压油缸，利用阀组集中控制液压油缸伸缩运动的特性，设计制作了集迈步移动、存储及支护单体支柱于一体的自移迈步式单体支柱支护车，有效保障作业人员的人身安全，解决了坡度段支护时单体支柱容易倒落伤人的安全隐患；同时因使用单体支柱车固定、调整单体支柱的支设位置，大幅减轻了人员的作业强度和难度。5结论1）通过 FLAC3D 对西坡矿 5106 工作面矿压显现规律模拟研究，发现近水平综放工作面开采过程中，采场周边的垂直应力在倾斜方向上是呈现对称分布的，并且在走向方向上有规律波动，2-1倾向应力场2-2走向垂直应力图 3回风巷支护设计0.467-2-6-10-14-18-22-24.090.209-3-5-9-11-13-17-19.71-15-7-15 500单体支柱 型钢梁3 500130山西冶金E-mail:第 46 卷3结论1）厚镀层锌流纹缺陷主要是镀液温度和气刀参数不合理使得表层冷却凝固流动性变差造成的，该缺陷通过调整镀液温度、气刀高度、气刀和钢板距离而消除。边部斜纹产生的主要原因是边厚和镀后冷却速度慢，通过调整气刀开口度和镀后冷却制度来减轻缺陷宽度。2）通过工艺优化，厚镀层锌铝镁产品表面质量稳步提高，合格率从 96.7%提高到 99.04%，结合用户项目场地环境评估和试验数据，为用户提供相适应的镀层重量，促进了高腐蚀环境下镀锌铝镁产品的应用。参考文献1张树亮.热基锌铝镁镀层材料在光伏支架领域的应用J.金属世界，2021（6）：32-34.2谢英秀，金鑫焱，王利.热浸镀锌铝镁镀层开发及应用进展J.钢铁研究学报，2017，29（3）：167-174.3肖学文，杨柏松.钢板锌铝镁涂镀层的新发展J.工业加热，2021，50（6）：51-52.4杨宏伟，刘春雨，周研，等.气刀工艺参数对锌铝镁镀层厚度和表面缺陷的影响J.河北冶金，2022（10）：25-28.5董世文，骆永伟，王向飞，等.锌铝镁镀层板的形貌分析J.材料保护，2020，53（12）：146-151.6邱婉凌，秦汉成，杨志强.锌铝镁镀层钢板的镀层质量以及镀层中铝镁铁的测定J.冶金分析，2019，39（12）：45-49.7张鹏，张杰，梁爱国，等.冷却速度对锌铝镁镀层组织及耐蚀性能的影响J.河北冶金，2022（1）：30-33.8高强，王溪钢.热镀锌钢板锌流纹缺陷成因分析与消除方法J.轧钢，2008，25（4）：52-54.（编辑：武倩倩）Analysis and Control of Surface Defects in Zinc Aluminum Magnesium ProductsWei Shenghui1,Mei Shuwen1,Gao Xiaoyao2,Wang Hailong1（1.Technology Center,HBIS Group Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000;2.Hot Rolling Business Unit,HBIS Group Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063000）Abstract:SEM and EDS analysis were conducted on the zinc flow lines and edge twill defects on the surface of thick coated zinc aluminummagnesium products above ZM275.Combined with the solidification process analysis of the liquid coating in the zinc aluminum magnesiumcoating,it was finally determined that the zinc flow line defect was caused by uneven plating solution,and the edge twill defects of50200 mm on the edge were