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(jié)構(gòu)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(shù)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(guān)的重大災(zāi)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(yīng)用彈塑性理論，得到支承壓力與煤厚成正比關(guān)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(jié)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(jié)合回風巷的破壞特征，制定了相應(yīng)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(shè)計具有重要參考價值；于雷[10]應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)合實際揭露，該工作面煤層產(chǎn)狀呈一標準的單斜構(gòu)造，無大的斷裂構(gòu)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(jié)合40201工作面實際開采條件，地表到埋深193m處采用均布應(yīng)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(yīng)，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(shè)立一個監(jiān)測點，共23個，監(jiān)測內(nèi)容為應(yīng)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(jié)果和分析

隨著回采面的推進頂板豎向應(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中區(qū)，從而導(dǎo)致煤巖體的破裂。當回采面推進至65m時，最大的豎向應(yīng)力達30MPa；當回采面推進至115m時，最大的豎向應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)，從而導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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?yīng)力值呈現(xiàn)出階梯型的降低，尤其是在回采面后方30m位置處，應(yīng)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(yīng)力變化曲線

3 工作面礦壓觀測結(jié)果分析

3.1 工作面沿傾向的礦壓觀測結(jié)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(cè)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(jié)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(jié)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(yīng)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(jié) 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(cè)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。