特厚煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

竇桂東，林建成，杜 鑫，王興旭，亢曉濤，吳章濤

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500； 2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

煤炭資源在我國的能源結構中占據(jù)著極其重要的地位，并且在我國的煤炭總產(chǎn)量當中，厚煤層的開采量已經(jīng)占據(jù)40%～50%，厚煤層的開采技術深刻影響我國煤炭行業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟狀況[1-3]。近年來，由于開采深度、規(guī)模的不斷擴大，與礦山壓力相關的重大災害逐漸增多，嚴重威脅到礦井的安全生產(chǎn)。為此，針對煤層工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，靳鐘銘[4]應用彈塑性理論，得到支承壓力與煤厚成正比關系，建立了綜放面走向彈性區(qū)和塑性區(qū)支承壓力分布規(guī)律方程式；楊科，任永康，馬忙利，龐成等[5-8]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合，研究分析了不同礦井厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；任建喜[9]對黃陵建莊煤礦厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行現(xiàn)場監(jiān)測研究，結合回風巷的破壞特征，制定了相應支護方案及監(jiān)測方案，對類似條件下厚煤層綜放工作面巷道的支護方案設計具有重要參考價值；于雷[10]應用相似材料模擬的方法提出了特厚煤層綜放開采頂板組合懸臂梁-鉸接巖梁結構中存在5種基本運動形式，并闡述了各種基本運動形式對礦壓的影響；于斌[11]采用理論分析、物理模擬和現(xiàn)場實測等方法，針對大同礦區(qū)特厚煤層堅硬頂板綜放開采，建立了特厚煤層開采大空間采場巖層結構演化模型；溫興林[12]通過理論計算、UDEC模擬和工作面的礦壓監(jiān)測等方法分析了厚煤層不規(guī)則工作面頂板礦壓特征；劉長友[13]采用相似材料模擬和現(xiàn)場實踐相結合的研究方法，通過分析覆巖多層薄采空區(qū)堅硬頂板條件下特厚煤層工作面的強礦壓顯現(xiàn)機理，得出了工作面支架阻力確定原則與方法。本文以小莊煤礦40201工作面開采為依據(jù)，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法研究特厚煤層綜采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工作面概況

小莊煤礦位于陜西黃隴侏羅紀煤田彬長礦區(qū)中部，具有典型的黃土塬梁地貌，地表溝壑縱橫。井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，主采4煤，煤層平均厚度18.01m。位于二盤區(qū)的40201工作面走向長1317m，寬179.55m，面積2.37km2。工作面區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度12～15m，埋藏深度447～600m，煤層底板標高在435～450m。根據(jù)工作面煤層底板等高線變化趨勢并結合實際揭露，該工作面煤層產(chǎn)狀呈一標準的單斜構造，無大的斷裂構造，工作面內(nèi)地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，傾向近北方向，傾角約5°～6°。

2 工作面礦壓數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立和模擬過程

結合40201工作面實際開采條件，地表到埋深193m處采用均布應力模擬，從埋深193m到煤層底板459.5m，底板以下100m處作為計算機模型的計算深度，取為366.5m，沿著工作面模擬長度取441.6m，沿著工作面傾向方向取200m作為模擬計算長度的寬度，即模型模擬尺寸為441.6m×200m×366.5m(長×寬×高)，模擬計算采用的巖體力學參數(shù)見表1?？紤]到邊界效應，X(走向)方向和Y(傾向)方向邊界為固定邊界，Z(埋深)方向上邊界為自由邊界。40201工作面數(shù)值模擬模型如圖1所示。

表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r體物理力學參數(shù)

圖1 40201工作面數(shù)值模擬模型

工作面沿X軸正向推進，每次模擬開采5.4m，進行23個循環(huán)，開采距離為124.2m。老頂?shù)谋O(jiān)測點布置在工作面中部位置，泥巖內(nèi)部，沿回采方向，每隔3m設立一個監(jiān)測點，共23個，監(jiān)測內(nèi)容為應力和位移監(jiān)測，老頂監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 老頂監(jiān)測點布置圖

2.2 數(shù)值模擬結果和分析

隨著回采面的推進頂板豎向應力和位移特征如圖3所示。由圖3分析可知，當回采面推進至15m時，最大的豎向應力達到17MPa，在一定程度上來說，回采面的前方5m左右位置，存在一定的應力集中區(qū)，從而導致煤巖體的破裂。當回采面推進至65m時，最大的豎向應力達30MPa；當回采面推進至115m時，最大的豎向應力達34MPa，在一定程度上來說，回采面的前方7m左右位置，存在一定的應力集中區(qū)，從而導致煤巖體的破裂[14]。

圖3 基于YOZ平面不同推進距離下的回采面頂板應力、位移特征切片圖

工作面推進至不同位置時上覆老頂巖層監(jiān)測點位移變化曲線如圖4所示，由圖4可以看出，老頂未斷裂垮落時，隨著回采面的推進，采空區(qū)垮距逐漸增大，老頂變形量增大，使得上覆巖層變形增量成增長趨勢。當回采面推進至30m、70m、110m、150m、190m時，老頂?shù)某两抵党尸F(xiàn)出一定增大的規(guī)律。老頂?shù)某两惦S著回采面的不斷推進，同一監(jiān)測點的沉降值不斷加大，從而保證了工作面的安全，不至于導致沖擊地壓及及其他危險事故的發(fā)生。

圖4 不同推進距離下老頂監(jiān)測點位移變化曲線

工作面推進至不同位置時的上覆老頂巖層監(jiān)測點應力變化曲線如圖5所示，由圖5可以看出老頂未斷裂垮落時，隨著回采面的推進，老頂?shù)膽χ党尸F(xiàn)出階梯型的降低，尤其是在回采面后方30m位置處，應力值下降極為明顯，從之前的20MPa左右，馬上降低至7MPa左右，此時老頂已經(jīng)垮落。

圖5 不同推進距離下老頂監(jiān)測點應力變化曲線

3 工作面礦壓觀測結果分析

3.1 工作面沿傾向的礦壓觀測結果

為保證煤礦安全生產(chǎn)，掌握綜采工作面礦壓顯現(xiàn)情況，分別對40201綜放工作面沿傾向和走向進行液壓支架工作阻力監(jiān)測。

1)工作面初次來壓前后液壓支架壓力分布曲線如圖6所示，由圖6可知，工作面來壓前各液壓支架壓力均有所增長，中部壓力較兩側壓力略大。來壓前支架承受壓力為25～33MPa，工作面初次來壓時，支架壓力明顯增大，其壓力范圍為33～40MPa，壓力增加幅度較大。

圖6 工作面初次來壓前后液壓支架壓力分布曲線

2)周期來壓前后液壓支架壓力分布曲線如圖7所示，由圖7可知，各液壓支架在周期來壓時其承受荷載各不相同，差異較大，概因回采期間，頂板活動頻繁且強度不同引起支架受力變化，同時說明工作面各位置來壓強度不一，各支架發(fā)揮的支承效果不一樣。

圖7 周期來壓前后液壓支架壓力分布曲線

3.2 工作面沿走向的礦壓觀測結果

以13#液壓支架代表上測區(qū)、49#液壓支架代表中測區(qū)、79#液壓支架代表下測區(qū)分別對工作面走向礦壓進行監(jiān)測，其液壓支架工作阻力監(jiān)測結果如圖8所示。

圖8 工作面支架工作阻力監(jiān)測曲線

1)工作面上測區(qū)13#液壓支架工作阻力平均值為23.36MPa，來壓時液壓支架工作阻力達31.14MPa，采動影響系數(shù)為1.33。工作面中測區(qū)49#液壓支架工作阻力平均值為22.11MPa，來壓時液壓支架工作阻力達29.72MPa，采動影響系數(shù)為1.34。工作面下測區(qū)79#液壓支架工作阻力平均值為19.74MPa；來壓時液壓支架工作阻力達26.57MPa，采動影響系數(shù)為1.35。

2)工作面液壓支架最大工作阻力30.58～37.6MPa，平均最大工作阻力34.6MPa。來壓期間支架壓力比平時大8～17MPa，在上測區(qū)和中測區(qū)之間的區(qū)段出現(xiàn)較為明顯。

3)工作面礦壓監(jiān)測期間，共觀測到頂板初次來壓和五次周期來壓，初次來壓步距在33.6～46m之間波動，頂板初次來壓步距大約為39.07m，周期來壓步距在13.92～28.08m之間波動，周期來壓步距平均21.0m。40201工作面分區(qū)段歷次周期來壓特征見表2。

表2 40201工作面分區(qū)段歷次周期來壓特征

4 支護強度驗算

根據(jù)40201工作面頂?shù)装鍘r性特征和煤層的厚度等條件，選用全部垮落法管理頂板。40201工作面采用支撐掩護式液壓支架支護工作面頂板，用端頭架支護工作面上、下端頭，采用單體液壓支柱配合液壓支架進行支護。支架選型為ZF13000/21/40，工作支護強度為1.28MPa。

工作面支護強度采用經(jīng)驗公式計算[15]：

Pt=9.81×h×γ×k

(1)

式中，Pt為工作面合理的支護強度，kN/m2；h為采高，m；γ為頂板巖石容重，kN/m3；k為工作面支柱應該支護的上覆巖層厚度與采高之比，一般取9。

將40201工作面采高和頂板巖石容重參數(shù)帶入式(1)，經(jīng)計算工作面支護強度為0.78MPa。備用系數(shù)取1.2，則支護強度為0.94MPa。因此選用額定支護強度為1.28MPa的ZF13000/21/40型液壓支架支護是滿足需求的。

5 結 論

1)40201工作面來壓前各液壓支架工作阻力均有所增長，中部壓力較兩側壓力略大，初次來壓步距在33.6～46m之間波動，采動影響系數(shù)在1.34～1.48之間，平均1.42。

2)40201工作面周期來壓步距平均21.0m，礦壓在距采面46.3m左右開始顯現(xiàn)，建議在距離工作面50m范圍內(nèi)布置單體液壓支柱。工作面選用的ZF13000/21/40型液壓支架支護滿足生產(chǎn)需求。