超長大采高工作面礦壓特征影響因素分析＊

李志華 華心祝 楊 科 朱若軍 周德生

（1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽省淮南市，232001；3.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽省阜陽市，236235）

超長大采高工作面礦壓特征影響因素分析＊

李志華1，2華心祝2楊 科2朱若軍3周德生3

（1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽省淮南市，232001；3.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦，安徽省阜陽市，236235）

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了超長大采高俯斜工作面頂板下沉量及工作面超前支承壓力分布規(guī)律，并在此模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整采高、面長、采深，對(duì)比分析了超長大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征與常規(guī)工作面的差異。研究結(jié)果表明：劉莊礦171301大采高綜采工作面超前支承壓力影響范圍大，達(dá)到60 m；頂板最大下沉量隨著采深、面長的增大而增大，增大幅度逐漸減小，隨著采高的增大而急劇增大；工作面支承壓力峰值隨著采深的增大而增大，隨采高的增大而減小，峰值位置均向煤壁前方發(fā)生遷移；工作面面長對(duì)支承壓力影響不顯著，所以在其他條件不變的情況下，增加面長礦壓顯現(xiàn)變化不大。

超長工作面 大采高工作面 礦山壓力 采高 數(shù)值分析 頂板下沉量

國投新集劉莊煤礦171301工作面位于劉莊煤礦西三13-1煤采區(qū)，為西區(qū)首采工作面。開采標(biāo)高為-515.7～-681.2 m。工作面為傾向長壁布置，工作面傾向長為1285 m，切眼長300 m，煤層傾角5～9°，平均傾角7°；煤層厚度4.30～6.30 m，平均厚度5.14 m。煤質(zhì)以氣煤為主，普氏系數(shù)為2.7～3.7。面長加大后，工作面覆巖的破壞與運(yùn)動(dòng)規(guī)律將發(fā)生改變，即工作面覆巖的宏觀結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不一樣。本文以劉莊煤礦171301超長大采高綜采工作面煤層地質(zhì)條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了超長大采高工作面頂板下沉量及工作面支承壓力分布規(guī)律，并在此模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整采高、面長、采深，對(duì)比分析了超長大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與常規(guī)工作面的差異。

1 計(jì)算模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際的煤層埋深以及巖層分布情況建立數(shù)值計(jì)算模型。模型在空間上分x、y、z三個(gè)方向，與實(shí)際的開采情況比較，工作面推進(jìn)方向在模型中為x方向，工作面走向方向?yàn)閥方向，豎直方向?yàn)閦方向，整個(gè)模型在空間尺寸上x方向500 m，y方向500 m （x和y組成水平面），z方向?yàn)?60 m。整個(gè)模型由806400個(gè)單元與836381個(gè)結(jié)點(diǎn)組成。模型計(jì)算采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則計(jì)算。工作面采用ZZ13000-27／60型支撐掩護(hù)式支架，支架最大控頂距6.10 m，支護(hù)強(qiáng)度1.29 MPa。

本次數(shù)值模擬巖層屬性參照171303工作面軌道巷6＃鉆場(chǎng)取芯鉆孔成果圖，巖層力學(xué)屬性依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果。

2 超長大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征

2.1 工作面支承壓力分布規(guī)律

模擬工作面凈面長300 m，采高6 m，采深624 m。為了研究工作面超前支承壓力分布特征，從工作面煤壁開始，在工作面中部沿煤層傾向做一條觀測(cè)線，提取該觀測(cè)線上各單元的垂直應(yīng)力，便可反映出工作面超前支承壓力分布特征，如圖1所示。

在煤壁前方距離煤壁60 m以外范圍內(nèi)，支承壓力變化不是很明顯；在煤壁前方40～60 m范圍內(nèi)，支承壓力逐漸上升，說明開始受到采動(dòng)影響。在煤壁前方30～40 m范圍內(nèi)，該段應(yīng)力急劇上升。應(yīng)力峰值范圍為20～30 m，應(yīng)力峰值達(dá)到24.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.58（原巖應(yīng)力15.28 MPa），應(yīng)力峰值位置距煤壁25 m。

圖1 工作面超前支承壓力分布圖

2.2 頂板下沉量變化規(guī)律

圖2是工作面開采導(dǎo)致的巖體運(yùn)動(dòng)矢量圖，圖中箭頭方向代表了巖體位移方向，箭頭長短代表了位移大小。從圖2中可知煤層的開挖會(huì)引起頂板巖層的迅速下沉。

圖2 巖體位移矢量圖

從實(shí)質(zhì)上講，采場(chǎng)圍巖控制的關(guān)鍵在于工作面頂板下沉量要控制在一定范圍內(nèi)，保證支柱具有行程，工作面支架不被壓死。通過監(jiān)測(cè)沿工作面方向距離工作面煤壁6.0 m處的頂板下沉量，即支架頂梁末端的垂直位移，再根據(jù)頂板下沉量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距帶式輸送機(jī)巷的距離，就可以得到采場(chǎng)頂板下沉量關(guān)系曲線，見圖3。從圖3可以看出，由于171301工作面為傾斜長壁工作面，工作面兩條巷道埋深一樣，所以，采場(chǎng)頂板下沉量呈對(duì)稱出現(xiàn)，頂板下沉量隨著距回采巷道距離的增大而不斷增加，距離回采巷道0 m、20 m時(shí)頂板下沉量約為230 mm。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離回采巷道大于20 m后，頂板下沉量急劇增加，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離巷道大于100 m后，頂板下沉量基本保持不變；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離機(jī)巷150 m，即在工作面中部時(shí)，頂板下沉量增加到最大值818.08 mm。171301工作面煤層平均總厚度5.34 m，采用ZZ13000-27／60型支撐掩護(hù)式液壓支架，所以當(dāng)頂板下沉量大于2.64 m時(shí)，支架立柱才會(huì)無行程。從圖3中可以看出無論是在工作面的兩端頭還是在中部，支架都不會(huì)被壓死。

圖3 采場(chǎng)頂板下沉量變化曲線

3 采深對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響

171301工作面為傾斜長壁工作面，工作面在回采過程中，由淺部開采到深部時(shí)礦壓顯現(xiàn)特征不一致。以初始模型為基礎(chǔ)，分析了采深對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)特征的影響。模型重新調(diào)整原則為工作面面長不變，采高不變，巖層物理、力學(xué)屬性保持不變，僅改變采深。重建2個(gè)模型，采深分別為542 m、624 m （已在初始模擬中模擬）、707 m。

圖4 采深對(duì)頂板下沉量的影響

圖4為不同采深頂板下沉量的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，171301傾斜長壁工作面由淺部開采到深部時(shí)，在工作面中部時(shí)，頂板下沉量均達(dá)到最大值。當(dāng)采深為542 m時(shí)，頂板最大下沉量為644.15 mm；當(dāng)采深為707 m時(shí)，頂板最大下沉量逐漸增加到902.09 mm。在采高、工作面面長等條件不變的情況下，頂板最大下沉量隨著采深的增大而增大，但是增大幅度逐漸減小。

圖5 采深對(duì)工作面超前支承壓力的影響

圖5為不同采深工作面超前支承壓力變化曲線。171301工作面由淺部開采到深部時(shí)，在煤壁附近，由于受到的原巖應(yīng)力增加，煤體已經(jīng)發(fā)生破壞，承載能力降低，支承壓力峰值降低。而在工作面前方15 m以外，煤體又由塑性區(qū)過渡到彈性區(qū)，承載能力增大，工作面煤層埋深越大，形成的支承壓力峰值越大，峰值位置向煤壁前方發(fā)生遷移。

4 采高對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響

模型重新調(diào)整原則為工作面面長不變，采深不變，巖層物理、力學(xué)屬性保持不變，僅改變采高。重建3個(gè)模型，采高分別為2 m、3 m和4.5 m。

圖6為不同采高頂板下沉量變化曲線，可以看出，工作面采高由2.0 m增加到6.0 m時(shí)，頂板下沉量逐漸增加，在工作面兩端頭頂板下沉量隨采高的增加逐漸增加，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離回采巷道大于20 m后，頂板下沉量隨采高的增加而急劇增加，采高越大，頂板下沉量增加幅度越大，在工作面中部時(shí)，頂板下沉量均達(dá)到最大值。在采深、工作面面長等條件不變的情況下，頂板最大下沉量隨著采高的增大而增大，而且采高越大，頂板下沉量增大幅度越大。

圖7為不同采高工作面超前支承壓力變化曲線。采高越大，形成的支承壓力峰值距離工作面煤壁越遠(yuǎn)。在煤壁處，采高越大，支承壓力峰值越小。

5 工作面面長對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響

模型重新調(diào)整原則為工作面采高不變，采深不變，巖層物理、力學(xué)屬性保持不變，僅改變面長。重建4個(gè)模型，面長分別為150 m、200 m、250 m和350 m。

圖8為不同面長頂板下沉量變化曲線，可以看出，采場(chǎng)頂板下沉量隨著工作面面長的增加而逐漸增加，在工作面兩端頭頂板下沉量隨面長的增加基本保持不變，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離回采巷道大于20 m后，頂板下沉量隨面長的增加而逐漸增加，但增大幅度逐漸減小。在工作面中部時(shí)，頂板下沉量均達(dá)到最大值。

圖9 面長對(duì)工作面超前支承壓力的影響

當(dāng)工作面面長為150 m時(shí)，頂板最大下沉量為329.54 mm；當(dāng)面長增加到300 m時(shí)，頂板最大下沉量迅速增加到818.08 mm；面長再增加350 m時(shí)，頂板最大下沉量僅增加到849.65 mm。所以，在采高、采深等條件不變的情況下，頂板最大下沉量隨著面長的增大而增大，但是增大幅度逐漸減小。當(dāng)面長超過300 m后，頂板最大下沉量基本保持不變。

圖9為不同面長工作面超前支承壓力變化曲線，從圖9中可以看出4條曲線基本重合，說明面長發(fā)生變化后，工作面超前支承壓力變化不明顯。

6 結(jié)論

（1）大采高俯斜綜采工作面超前支承壓力影響范圍大，達(dá)到60 m，所以在工作面回采期間，應(yīng)加大超前支護(hù)范圍，劉莊礦171301工作面超前支護(hù)范圍應(yīng)加大到60 m。采場(chǎng)頂板下沉量呈對(duì)稱出現(xiàn)，在工作面中部時(shí)，頂板下沉量達(dá)到最大值。

（2）采場(chǎng)頂板最大下沉量隨著采深的增大而增大，但是增大幅度逐漸減小。采深越大，形成的支承壓力峰值越大。

（3）采場(chǎng)頂板最大下沉量隨著采高的增大而急劇增大。采高越大，工作面支承壓力峰值距離工作面煤壁越遠(yuǎn)，支承壓力峰值越小。

（4）采場(chǎng)頂板最大下沉量隨著面長的增大而增大，但是增大幅度逐漸減小。當(dāng)面長超過300 m后，頂板最大下沉量基本保持不變。面長對(duì)工作面支承壓力影響不明顯。

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Influencing factors of strata behavior characteristics in super-long large mining height working face

Li Zhihua1，2，Hua Xinzhu2，Yang Ke2，Zhu Ruojun3，Zhou Desheng3
（1.Post Doctor Station of Mining Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；2.Key Laboratory of Mining Safety and High Efficient Mining Co-established by Anhui Province and Ministry of Education，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；3.Liuzhuang Coal Mine，SDIC Xinji Energy Co.，Ltd.，F(xiàn)uyang，Anhui 236235，China）

The FLAC3D software was used to study the roof subsidence in super-long large mining height working face and the distribution law of advanced abutment pressure of the working face.Based on this model，through adjusting the mining height，working face length and mining depth，the paper analyzed the differences of strata behavior characteristics between super-long large mining height working face and normal working face.The results indicate：the advanced abutment pressure of 171301 large mining height fully mechanized mining face of Liuzhang Mine has a large influenced range up to 60m；the maximum roof subsidence increases with the increase of mining depth and working face length，the increasing-amplitude decreasing gradually，while it sharply increases due to the increase of mining height；the peak of face abutment pressure increases with the increase of mining depth，while decreases with the increase of mining height，and the location of the peak transfers to the front of the coal wall；the effect of working face length on abutment pressure is very feeble，so，the strata behavior characteristics change little with the increase of working face length when keeping other conditions invariable.

super-long working face，large mining height working face，strata pressure，mining height，numerical analysis，roof subsidence

TD323

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51174002，51074003）；安徽理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（11057）；安徽理工大學(xué)青年科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目

李志華 （1981-），男，陜西省漢中市人，副教授，工學(xué)博士，從事礦山壓力及沖擊礦壓方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）