馬萬里

（山西晉能控股煤業(yè)，山西 大同 037000）

0 引言

萬杰煤業(yè)為整合礦井，開采范圍內(nèi)存在有多個煤炭產(chǎn)量在20萬t/a以下的小煤窯，礦井回采的2號煤層的上層煤被小煤窯采取刀柱式方式進行開采（采高約2 m），下層煤被遺棄（厚度約4 m）。復(fù)采2號煤層擬采用綜放開采方式，受小煤窯開采采空區(qū)、殘留煤柱等因素影響，復(fù)采工作面內(nèi)礦壓顯現(xiàn)更趨復(fù)雜，從而增加采場頂板控制難度[1~3]。萬杰煤業(yè)2號煤層復(fù)采時，應(yīng)在掌握工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律基礎(chǔ)上，選擇合理的液壓支架對工作面頂板加以支護，才能保證采場的安全，進而實現(xiàn)正常生產(chǎn)。

1 工程概況

萬杰煤業(yè)復(fù)采的2號煤層回采工作面位于小煤窯開采破壞區(qū)，2號煤層原始厚度為4.10～6.30 m，傾角2°~5°，賦存較為穩(wěn)定，具體頂?shù)装鍘r性見圖1所示。2號煤層復(fù)采擬采用綜放開采方式，為了確保采面頂板穩(wěn)定，采煤高度控制在2 m，采放比初步確定為1∶1。

圖1 2號煤頂?shù)装鍘r性

小煤窯開采后形成的老空區(qū)及遺煤情況如圖2所示。根據(jù)2號煤層上部采空區(qū)、煤柱位置關(guān)系，復(fù)采工作面頂板類型可分為頂煤+老空區(qū)、頂煤+煤柱兩種類型。當(dāng)頂板類型為頂煤+老空區(qū)時，此時頂板一般較為破碎，在回采過程中可能會出現(xiàn)一定的漏頂問題，但是頂板壓力相對較小。當(dāng)頂板類型為頂煤+煤柱時，頂煤裂隙一般不發(fā)育，若煤柱寬度較大（10 m以上）則一般頂板巖層較為穩(wěn)定，但也存在頂板應(yīng)力集中問題，容易出現(xiàn)煤壁片幫、冒頂事故；若頂板煤柱寬度較?。?0 m以下）由于煤主內(nèi)裂隙發(fā)育，基本喪失支撐作用，頂板應(yīng)力集中不明顯。

圖2 2號煤層老空區(qū)及遺煤狀況示意圖

2 復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)分析

2.1 相似模擬

利用相似材料模擬試驗可以直觀了解遺煤復(fù)采工作面推進過程中頂板巖層的移動、破斷規(guī)律，了解采動對頂板巖層的影響范圍。針對萬杰煤業(yè)2號遺煤的開采情況，為盡可能使刀柱式開采對頂板的已有影響反映在試驗中，加快顯示開采造成的頂板影響范圍，制作相似模型時模擬刀柱式開采時煤柱與采空區(qū)尺寸比為1∶6，模型中模擬采空區(qū)跨度尺寸為5 m。

相似模擬確定的幾何相似比為0.02，容重相似比為0.6，彈性模量相似比為0.012，載荷相似比為4.8×10-6，時間相似比為0.14，制作相似模擬模型規(guī)格為2.0 m×1.2 m×0.16 m。

相似材料模擬試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3（a）所示,隨著復(fù)采工作面的推進，2號煤層頂板活動范圍變化情況如圖3（b）～（d）。相似材料模擬試驗結(jié)果顯示，對采煤工作面造成影響的巖層為2號煤層之上13.33 m范圍以內(nèi)的巖層，其中煤層上方8.05 m的泥巖起主導(dǎo)作用，是形成工作面來壓主控巖層。

圖3 相似模擬示意圖

2.2 理論分析

萬杰煤業(yè)2號煤層老窯采空區(qū)上覆巖層是否穩(wěn)定，除了取決于老空區(qū)殘留煤柱是否穩(wěn)定外，還取決于上覆巖層的極限垮距[4~6]。根據(jù)固支梁模型，采空區(qū)基本頂承受qD載荷時，基本頂極限垮距l(xiāng)為[7]：

式中：hD為巖梁厚度，σt為巖梁的抗拉強度。

根據(jù)簡支梁模型，梁斷裂的極限垮距為[8]：

按照懸臂梁模型，基本頂周期破斷步距l(xiāng)2為[9]：

從2號煤層綜合柱狀圖以及相似模擬結(jié)果得出，煤層上覆8.05 m厚的泥巖頂板（第1層）控制2號煤層復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)。經(jīng)計算可知，煤層頂板對第1層巖形成的載荷集度qD為312 kPa。按照式（1）計算得到的第一層頂板極限跨距約為36.69 m，依照式（2）計算得到的第一層頂板極限跨距為29.95 m，依照式（3）算得的周期破斷步距為14.98 m。

3 復(fù)采工作面支護強度數(shù)值模擬分析

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對復(fù)采工作面礦壓顯現(xiàn)進行分析，并對支架支護強度進行優(yōu)選。

數(shù)值模擬原型以萬杰煤業(yè)2號煤的實際復(fù)采情況建立。模擬煤層厚度6.30 m，上部2 m已經(jīng)過刀柱式開采。在工作面煤壁和頂?shù)装逯虚g設(shè)測點用以監(jiān)測煤壁及頂板變形。

在采面過老空區(qū)、煤柱時，分別在空頂距為4 m的范圍內(nèi)沿工作面對頂板分別施加0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa和0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa的支護力，計算頂板不同位置的下沉量，用以確定支護強度與頂板下沉量之間的關(guān)系。具體過采空區(qū)以及煤柱期間頂板下沉量變化曲線分別見圖4、圖5。

圖4 過煤柱時支架支護阻力與頂板下沉關(guān)系曲線

圖5 過空區(qū)時支架支護阻力與頂板下沉關(guān)系曲線

工作面頂板合理的工作阻力合理平衡支護投入以及頂板控制。由圖4可知，煤柱下復(fù)采工作面支架合理支護強度應(yīng)是0.4～0.5 MPa，取中間值0.45 MPa，可知空頂距范圍內(nèi)的合理支護阻力是1 800 kN/m。

由圖5可知，老空區(qū)下復(fù)采工作面支架合理支護強度應(yīng)為0.05～0.07 MPa，取中間值0.06 MPa，可知控頂距范圍內(nèi)的合理支護阻力是240 kN/m。

老空區(qū)如果屬于未完全垮落或完全垮落狀態(tài)，工作面合理的支護阻力分別為1 200 kN/m和1 600 kN/m，均介于上述2種情況之間。

總體上看，復(fù)采工作面在老空區(qū)下的工作阻力變化范圍為240～1 600 kN/m，復(fù)采工作面在殘留煤柱下的工作阻力約為1 800 kN/m。單架液壓支架的架寬一般為1.5 m，則復(fù)采工作面在老空區(qū)下的工作阻力變化范圍為360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力約為2 700 kN/架。

4 總結(jié)

1）對采煤工作面造成影響的巖層為2號煤層之上13.33 m范圍以內(nèi)的巖層，其中煤層上方8.05 m的泥巖起主導(dǎo)作用，是形成工作面來壓的主控巖層。頂板初次、周期破斷步距分別為29.95～36.69 m、14.98 m。

2）復(fù)采工作面過殘留煤柱時，如果控頂距為4.0 m，則支架初撐力最小為1 049 kN/m，支架寬度為1.5 m時，液壓支架初撐力為每架1 573 kN；過老空區(qū)時，如果控頂距為4.0 m，則液壓支架需要提供的初撐力不宜超過814 kN/m，支架寬度為1.5 m時，則液壓支架初撐力最大為1 221 kN/架。

3）控頂距為4.0 m時，復(fù)采工作面在老空區(qū)下的工作阻力變化范圍為240～1 600 kN/m，復(fù)采工作面在殘留煤柱下的工作阻力約為1 800 kN/m。單架液壓支架的架寬一般為1.5 m，則復(fù)采工作面在老空區(qū)下的工作阻力變化范圍為360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力約為2 700 kN/架。