大采高綜采工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律及圍巖控制研究

肖學(xué)

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

大采高綜采工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律及圍巖控制研究

肖學(xué)

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

通過大采高采場的覆巖結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型、應(yīng)力分布數(shù)值模擬、結(jié)合相似材料物理模擬試驗(yàn)等手段，揭示了大采高綜采工作面圍巖移動(dòng)變形規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出了工作面推進(jìn)過程中頂板管理、煤壁片幫控制等關(guān)鍵技術(shù)方案，為支架工作阻力確定及架型選擇提供依據(jù)，為建成年產(chǎn)1 000萬t綜采示范工作面奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

綜采工作面；上覆巖層；移動(dòng)規(guī)律；圍巖控制

1 示范工作面的基本情況

18105 工作面位于斜溝礦964水平11采區(qū)回風(fēng)下山北部，東側(cè)北半部為18103工作面采空區(qū)、南半部為實(shí)煤區(qū)，西為18107采空區(qū)，北為集中材料下山。地面標(biāo)高：+990 m～1185 m，工作面標(biāo)高+855 m～914m。工作面埋深約300m。煤層總厚5.0m～6.4 m、平均6.0 m，煤層傾角6°～10°、平均8°，可采儲(chǔ)量9.755Mt，煤體較硬，f=2～3。工作面長度300m，工作面推進(jìn)長度3500 m。煤層老頂為10.30 m～18.92m厚灰白色中粗粒砂巖,直接頂為0～1.35 m厚灰黑色泥巖,直接底為0～1.60m厚灰黑色砂質(zhì)泥巖，老底為8.62m～18.03m厚中細(xì)粒砂巖。

2 18105工作面大采高采場應(yīng)力分布數(shù)值模擬

根據(jù)斜溝煤礦8號(hào)煤層首采區(qū)地質(zhì)概況建立模擬模型，采用FLAC拉格朗日差分快速分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）軟件，解析大采高工作面頂板應(yīng)力分布及變形規(guī)律。根據(jù)斜溝煤礦煤層及頂?shù)装鍘r層、現(xiàn)場實(shí)際情況、相關(guān)資料，確定模型材料的力學(xué)參數(shù)。模擬結(jié)果：經(jīng)對(duì)斜溝煤礦8號(hào)煤層工作面前方支承壓力、圍巖采場結(jié)構(gòu)等分析，得出以下初步結(jié)論：（1）支承壓力峰值平時(shí)距工作面5m左右，來壓時(shí)減小為2m左右。（2）超前支承壓力在工作面推進(jìn)50 m時(shí)出現(xiàn)，最大值為27 MPa。（3）來壓時(shí)，直接頂下沉量增大。

3 18105工作面大采高采場結(jié)構(gòu)的相似模擬研究

（1）相似模擬實(shí)驗(yàn)：研究斜溝煤礦8號(hào)煤層開采時(shí)的煤巖移動(dòng)和破壞規(guī)律、工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、工作面前方支承壓力分布規(guī)律等。根據(jù)斜溝煤礦提供的首采區(qū)鉆孔資料、現(xiàn)場鉆孔取芯、井下取樣測定的各巖層與煤的物理力學(xué)參數(shù)，開采煤層深度選取8號(hào)煤層的平均埋藏深度300 m；試驗(yàn)選用長×寬×高為3 000 mm×200 mm×3 000 mm的大型應(yīng)變剛性加載試驗(yàn)裝置。

（2）經(jīng)對(duì)斜溝煤礦8號(hào)煤層大采高模擬試驗(yàn)結(jié)果及其分析，得出頂板垮落規(guī)律：①工作面推進(jìn)50 m時(shí)，頂板由于懸空距達(dá)到一定程度初次垮落，在大采高工作面，垮落后的巖層并不能完全充填采空區(qū)。②直接頂?shù)钠骄迓浣菫?5°。③工作面推進(jìn)過程中，直接頂隨采隨落，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?0m。④平均周期來壓步距為10.7m，周期來壓明顯。⑤工作面推進(jìn)到98 cm時(shí)，直接頂厚度相對(duì)于煤層而言較薄，隨采隨冒。⑥工作面推進(jìn)60 m時(shí)，頂板下沉量隨工作面繼續(xù)推進(jìn)的變化規(guī)律：見圖1，頂板下沉量隨工作面推進(jìn)距離的增大而增大；且在離工作面較高的巖層，頂板下沉量小于頂板上覆較近層，頂板上覆巖層受采動(dòng)影響下沉速度變化大。⑦工作面前方支承應(yīng)力分布規(guī)律：圖2表示測點(diǎn)縱向應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，由圖可知，支承壓力峰值在工作面前方5m左右。

圖1 頂板下沉量隨開采推進(jìn)的變化

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室物理相似模擬試驗(yàn)，對(duì)斜溝煤礦8號(hào)煤層上覆巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：（1）試驗(yàn)條件下，大采高初次來壓步距一般為50m左右，周期來壓為10m左右。（2）大采高綜采采場受超前支承壓力影響，煤壁容易發(fā)生片幫，應(yīng)采取控制措施；（3）大采高工作面對(duì)支架性能要求高、工作阻力要求大，通過試驗(yàn)得到斜溝礦8號(hào)煤層大采高工作面開采所需支架工作阻力應(yīng)在10 000 kN以上。（4）支架與圍巖的作用關(guān)系：綜合18105工作面大采高的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室相似模擬、現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，該工作面支架-圍巖關(guān)系的支架使用情況評(píng)估如下：①18105工作面采用的ZY12000/28/64D架型能滿足工作面圍巖控制要求。②支架工作阻力達(dá)120 00kN，根據(jù)正常狀態(tài)估算，該工作阻力富裕系數(shù)較大，據(jù)礦壓顯現(xiàn)觀測，仍能滿足頂板支護(hù)要求，未影響高效生產(chǎn)；如果加強(qiáng)初撐力的管理，支架工作阻力富裕系數(shù)還可提高，總之支架的工作阻力設(shè)計(jì)是合理的。③該套支架的成功使用，證明了按給定載荷設(shè)計(jì)大采高支架工作阻力的正確性，但必須考慮特定條件下的上覆巖層移動(dòng)規(guī)律。

Overburden Strata Movement law and Surrounding Rock Control on Large-mining-height Fully-mechanized Working Face

XIAO Xue
(Shanxi Xishan Jinxing Energy Co.,Taiyuan Shanxi 030053)

Through numerical simulation of overburden strata structure,mechanical model,and stress distribution,together with physical simulation experiment of similar materials,surrounding rock movement and deformation law and mine pressure behavior law were discovered.The paper presented roof management in the driving process,side-wall control,and other key technology,which could not only provide evidence for working resistance determination and support selection but also lay the technology foundation for the building of10-million-ton demonstration working face.

fully-mechanized working face;overburden strata;movement law;surrounding rock control

TD322

A

1672-5050（2012）11-0053-02

2012-08-09

肖 學(xué)（1979—），男，山西晉城人，大學(xué)本科，工程師，從事煤炭開采技術(shù)管理工作。

圖2 支承應(yīng)力分布簡圖

劉新光