吳子科,陶三寶（.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037; . 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 003）

綜放開(kāi)采與分層開(kāi)采沖擊地壓防治數(shù)值模擬對(duì)比研究

吳子科1,陶三寶2
（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037; 2. 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210031）

摘 要：通過(guò)利用數(shù)值模擬軟件RFPA，從客觀上將深部較厚煤層的分層分采工作，與放頂煤開(kāi)采工作進(jìn)行仔細(xì)的研究和對(duì)比，主要是在支承壓力充分分部動(dòng)態(tài)過(guò)程和能量釋放特征兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，并搜集相關(guān)資料與數(shù)據(jù)，對(duì)綜放開(kāi)采、分層開(kāi)采沖擊低壓的特征進(jìn)行深入的研究。另外，在與具體的工程相互結(jié)合后，提出了一些比較有效的方法，對(duì)工作面開(kāi)采的戰(zhàn)略性防治意義較大。在大量的實(shí)踐后，發(fā)現(xiàn)比較適用于有沖擊危險(xiǎn)可能性較深的厚煤層當(dāng)中。為此，在今后的開(kāi)采工作中，應(yīng)將放頂煤開(kāi)采作為主要的手段來(lái)進(jìn)行，同時(shí)，還要在具體的開(kāi)采工作中，結(jié)合一系列的戰(zhàn)術(shù)防治或者是局部地段的特殊防治，形成一整套、有體系的方法，從而完善深部厚煤層沖擊地壓的防治體系。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓；數(shù)值模擬；綜放開(kāi)采；分層開(kāi)采

0 引言

沖擊地壓在現(xiàn)階段的工作中，是巖石力學(xué)比較重要的難題，從現(xiàn)階段的研究來(lái)看，很多研究人員，都對(duì)沖擊地壓開(kāi)展了深入的研究，無(wú)論是在理論研究上還是在實(shí)踐的工作中，包括強(qiáng)度理論、剛度理論等等，每一個(gè)部分在實(shí)際的應(yīng)用中，都取得了較為突出的成績(jī)。

姜耀東[4]總結(jié)了我國(guó)煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)，分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯(lián)系和區(qū)別，建立了煤礦沖擊地壓的3 種力學(xué)模型: 材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯(cuò)動(dòng)型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓。

王存文[5]則從構(gòu)造形成機(jī)制的角度分析構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力環(huán)境，并運(yùn)用礦山壓力理論、數(shù)值模擬等探討斷層、褶皺、相變誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理。

本文利用RFPΑ數(shù)值模擬軟件分別對(duì)綜放開(kāi)采和分層開(kāi)采進(jìn)行了對(duì)比模擬分析，結(jié)合工程應(yīng)用，完善深部厚煤層沖擊地壓防治體系。

1 綜放開(kāi)采與分層開(kāi)采的數(shù)值模擬分析

3107工作面是某煤礦東翼一采區(qū)3層煤綜采放頂煤工作面，傾斜寬81m，走向長(zhǎng)度1015m。該工作面北120m為正在回采的3111工作面，3111工作面采用分層開(kāi)采方法。

1.1 模型的建立

本次模擬計(jì)算分為兩大部分：第一部分，3107工作面，在綜放開(kāi)采的過(guò)程中，采場(chǎng)推進(jìn)方向上，其應(yīng)力分部與聲發(fā)射分布特征模擬計(jì)算，這部分計(jì)算結(jié)果必須精確化進(jìn)行。第二部分，3111工作面分層開(kāi)開(kāi)采的過(guò)程中，采場(chǎng)推進(jìn)方向上，應(yīng)力以及聲發(fā)射分布的特征模擬計(jì)算。二者的計(jì)算都是以模擬計(jì)算為主，并結(jié)合實(shí)際情況來(lái)研究開(kāi)采方法的不同頂板應(yīng)力及省發(fā)生的分布情況。

圖1 計(jì)算力學(xué)模型圖

將采場(chǎng)的縱剖面作為具體的計(jì)算區(qū)域，在計(jì)算過(guò)程中，采用應(yīng)用平面應(yīng)變模型，了解計(jì)算的變化和內(nèi)容的加深。從模型選取的角度來(lái)說(shuō)，模型的左邊界、右邊界、下邊界，采用固定約束，促使煤層只能在垂直應(yīng)力方面受到頂部巖層自重的作用。另一方面，巖層力學(xué)參數(shù)，主要是假定符合韋伯分部的條件，之后再按照各個(gè)分層來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的賦值工作。在本次計(jì)算過(guò)程中，巖層破裂主要采用的是庫(kù)倫——莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行判斷，具體的計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

在計(jì)算模擬當(dāng)中，采場(chǎng)的采深設(shè)定為800米，模型的具體形狀為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度達(dá)到了300米，高度被設(shè)定為100米，水平方向?yàn)?00個(gè)單元，垂直方向設(shè)定為100個(gè)單元，共計(jì)是3萬(wàn)個(gè)單元。另一方面，為了保證計(jì)算的精確和符合實(shí)際工作，每一個(gè)單元，其所代表的煤巖層數(shù)值，設(shè)定在1.0米。之后，我們主要是根據(jù)RFPΑ軟件所具有的功能和特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬工作。在模型的加載過(guò)程方面，主要選擇的上部巖層的自重加載，在客觀工作上，還要對(duì)煤巖層進(jìn)行相關(guān)的簡(jiǎn)化，主要簡(jiǎn)化的內(nèi)容是改變煤巖層的自身容量，減小厚度。

1.2 數(shù)值模擬分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析研究，3107工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采方法，3111工作面采用分層開(kāi)采方法，3107工作面與3111工作面的聲發(fā)射分布、對(duì)巨厚礫巖層頂板影響、垂直應(yīng)力集中程度對(duì)比如圖2—7所示。

圖2 放頂煤開(kāi)采推采10m的發(fā)射分布

圖3 分層開(kāi)采推采10m的發(fā)射分布

圖4 放頂煤開(kāi)采推采110m對(duì)頂板影響

圖5 分層開(kāi)采推采110m對(duì)頂板影響圖

對(duì)比圖2和3、圖4和6、圖6和7可知：

（1）在實(shí)際的工作中，當(dāng)采用放頂煤開(kāi)采時(shí)，煤壁前方支承壓力影響范圍比分層開(kāi)采影響范圍大。但是，在測(cè)算后，發(fā)現(xiàn)支承壓力的峰值卻是比較小的。同時(shí)，峰值在具體的出現(xiàn)位置上，超過(guò)了在前煤壁的距離，超出的范疇比較大。所以，在具體的開(kāi)采工作中，運(yùn)用放頂煤的開(kāi)采方法，對(duì)減少煤層沖擊地壓的發(fā)生，具有較大的積極意義。

（2）綜采放頂煤在開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中，能量的釋放范圍是非常大的，但在釋放過(guò)程中，并不是一次性釋放的，而是呈現(xiàn)出一種緩和釋放的狀態(tài)。對(duì)于分層開(kāi)采而言，能量釋放的范圍相對(duì)較小，但是釋放的能量量級(jí)是非常大的，在釋放過(guò)程中，表現(xiàn)出了非常劇烈的情況，很容易導(dǎo)致沖擊地壓的出現(xiàn)，這是非常危險(xiǎn)的。

（3）在實(shí)際的工作中，通過(guò)利用綜采放頂煤的開(kāi)采方法，工作面的推進(jìn)速度在一定程度上有所減慢，這就有利于進(jìn)行頂板垮落和能量的釋放，對(duì)于操作人員的安全來(lái)講，是非常重要的。同時(shí)，在大量的研究和應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)因關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的礦震可能性，大大的減小，實(shí)現(xiàn)了安全化生產(chǎn)。

（4）綜采放頂煤的開(kāi)采工作，在集中程度方面，要比分層開(kāi)采的更小一些。在實(shí)際的工作中，倘若運(yùn)用分層開(kāi)采工作，煤壁前方彈性壓力能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)較為集中的狀態(tài)，因而在發(fā)生沖擊地壓的概率上，也是比較高的。所以，在現(xiàn)實(shí)工作中，并不建議應(yīng)用分層開(kāi)采工作。

圖6 放頂煤開(kāi)采推采40m采垂直應(yīng)力集中程度圖

圖7 分層開(kāi)采推采40m垂直應(yīng)力集中程度圖

1.3 實(shí)測(cè)工作面走向支承壓力及位移移近量對(duì)比分析

根據(jù)工程實(shí)測(cè)，3107工作面和3111工作面的位移移近量、應(yīng)力變化實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8、9、10、11所示。

圖8 3107綜放面軌道順槽巷道移近量圖

圖9 3111綜采面軌道順槽巷道移近量圖

圖10 3107綜放面軌道順槽支承壓力分布圖

圖11 3111綜采面軌道順槽支承壓力分布圖

根據(jù)3107綜放工作面以及3111分層綜采工作面的相關(guān)數(shù)據(jù)得知，二者在工作面軌道順槽巷道圍巖變形量、支承壓力分部規(guī)律等方面的對(duì)比中，具有較大的差異。因此，提出了一些具體的工作面開(kāi)采前的戰(zhàn)略性防治的辦法：在現(xiàn)實(shí)工作中，對(duì)于具有沖擊危險(xiǎn)可能性深厚部的煤層開(kāi)采工作，其開(kāi)采方法，應(yīng)首先選擇放頂煤開(kāi)采。

1.4 工作面危險(xiǎn)區(qū)域的確定

在本次研究工作中，3107工作面采用的是放頂煤開(kāi)采的相關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行回采工作的，因此在內(nèi)力場(chǎng)的影響上，其范圍要比分層開(kāi)采更大一些。經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的綜放開(kāi)采工作面當(dāng)中，工作面軌道巷道發(fā)生沖擊地壓的具體區(qū)域之中，能夠結(jié)合較多的數(shù)據(jù)和實(shí)用的技術(shù)，對(duì)煤層是否應(yīng)用放頂煤進(jìn)行開(kāi)采，進(jìn)行一個(gè)較為全面的判斷。從客觀的角度來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的開(kāi)采條件，基本上能夠滿足放頂煤的開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)的角度來(lái)看，側(cè)向支撐壓力的高峰地區(qū)，多數(shù)情況下，距離煤壁大概是有25米左右。另外，在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的影響范圍上，主要是徘徊在10米左右。在支撐壓力的影響范圍內(nèi)，主要是徘徊在45米左右，其影響的范圍，則集中在70米--80米之間，具體見(jiàn)圖12。

圖12 綜放開(kāi)采側(cè)向支承壓力分布狀態(tài)

通過(guò)與3111工作面的詳細(xì)對(duì)比和分析，認(rèn)為利用綜放開(kāi)采側(cè)向支承壓力的相關(guān)分部規(guī)律，能夠較好的確定工作面?zhèn)认蛑С袎毫γ黠@影響的區(qū)域，基本上就可以確定為是可能發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。從得到的結(jié)果來(lái)看，該高應(yīng)力的區(qū)域，可以初步的判定為，能夠發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域，因此需要作為重點(diǎn)區(qū)域來(lái)對(duì)待。另一方面，高應(yīng)力的區(qū)域，在大量的測(cè)量和計(jì)算后，上下順槽超前煤壁前方大概0米—40米的區(qū)域當(dāng)中，應(yīng)該存在40米寬的范疇；工作面上下部各10m范圍內(nèi)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域如圖13所示，圖中陰影部分為深部厚煤層綜放采場(chǎng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域。

圖13 3107工作面危險(xiǎn)區(qū)域示意圖

2 沖擊地壓防治

2.1 開(kāi)采過(guò)程中戰(zhàn)術(shù)性防治

（1）在3107的工作面初級(jí)開(kāi)采階段中，支承壓力的形態(tài)，主要表現(xiàn)為高峰位置在煤壁邊緣的單調(diào)下調(diào)曲線，該曲線能夠在實(shí)際上反映出較多的內(nèi)容，為操作和開(kāi)采人員，提供較多的參考和指導(dǎo)。另一方面，在本面支承的壓力當(dāng)中，上下面的側(cè)向支承壓力，會(huì)在煤體的內(nèi)部形成一種較強(qiáng)的疊加狀態(tài)。值得注意的是，疊加區(qū)域距上下側(cè)采空邊緣的10m—0.45m范圍內(nèi)，需要采取一些特殊的措施，例如爆破等等，以此來(lái)破壞工作面的煤壁形態(tài)，之后通過(guò)人為工作，制造出10m以上的緩沖地帶，以此來(lái)更好的保證工作面，不會(huì)出現(xiàn)破壞性的沖擊地壓。

（2）在工作面初次的來(lái)壓工作中，支承壓力將會(huì)表現(xiàn)出重新分布的特點(diǎn)，這就給操作造成了很多的壓力。例如，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，比較容易形成局部的較高應(yīng)力作用，所以必須要特別注意。本文認(rèn)為，在初壓的工作期間，工作人員應(yīng)進(jìn)行有效的頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，以此來(lái)獲得更多的數(shù)據(jù)和資料。值得注意的是，采取放慢的推進(jìn)速度和形成范在10米以上的緩沖帶，該緩沖帶能夠在客觀上，較好的組織沖擊地壓的出現(xiàn)，為日常工作提供較多的安全保障。

（3）在工作面的正常推進(jìn)當(dāng)中，我們還是要在很多的方面進(jìn)行注意，絕對(duì)不能出現(xiàn)任何絲毫的差錯(cuò)。結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)下的工作標(biāo)準(zhǔn)，倘若是范圍較大的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，則能夠在客觀上，對(duì)工作面的沖擊地壓起到較強(qiáng)的緩沖作用，以此來(lái)維護(hù)操作的安全。但是，我們?cè)谥芷诘膩?lái)壓期間，還是要采取針對(duì)性的頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，與客觀工作和主觀訴求相結(jié)合，實(shí)施有效的解決危機(jī)的措施。

從以上的分析來(lái)看，工作面在日常的開(kāi)采工作中，煤壁前方大概10米的地區(qū)，存在緩沖帶，并且是一直都存在的，該區(qū)域必須得到有效的保障。同時(shí)，在未來(lái)的工作中，我們還需要積極的結(jié)合頂板的放慢推進(jìn)速度的相關(guān)措施，避免破壞性的沖擊地壓出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)日常開(kāi)采工作的穩(wěn)步進(jìn)行。

2.2 局部特殊地段防治

順槽沖擊地壓的最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槔享敂嗔?、?yīng)力發(fā)生變化的區(qū)域，采用頂板動(dòng)態(tài)法，判定該區(qū)域的范圍，并采取預(yù)先解危措施，可實(shí)現(xiàn)順槽在初放期間的安全。對(duì)該區(qū)域采取“監(jiān)測(cè)—解?！O(jiān)測(cè)”的動(dòng)態(tài)防治措施，同時(shí)按沖擊能量釋放規(guī)律，放緩?fù)撇伤俣龋ò?.0m/天考慮），通過(guò)采取調(diào)斜工作面等措施，軌道順槽超前運(yùn)輸順槽13～15m，使沖擊能量在空間上分區(qū)域得到釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓的控制。

3 結(jié)語(yǔ)

利用RFPΑ分別對(duì)分層開(kāi)采和放頂煤開(kāi)采進(jìn)行了對(duì)比模擬分析，結(jié)合工作面實(shí)際開(kāi)采情況，得出了以下結(jié)論：當(dāng)采用放頂煤開(kāi)采方法時(shí)，煤壁前方支承壓力分布范圍比分層開(kāi)采時(shí)分布范圍廣，能量釋放范圍增大，說(shuō)明放頂煤開(kāi)采對(duì)采場(chǎng)圍巖系統(tǒng)的擾動(dòng)程度比分層開(kāi)采時(shí)擾動(dòng)程度大，有利于集中應(yīng)力的釋放；煤壁前方支承壓力峰值較分層開(kāi)采時(shí)峰值較小，峰值出現(xiàn)的位置距離煤壁的距離超前于分層開(kāi)采時(shí)的距離。

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作者簡(jiǎn)介：吳子科（1982-），男，山東濟(jì)寧人，碩士，工程師，主要從事：煤礦安全的研究與評(píng)價(jià)工作。