謝橋礦大采高工作面超前支撐壓力分布規(guī)律

朱 丹，張 帆

（1.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌 330000；2.中鼎國(guó)際礦山隧道建設(shè)分公司，中國(guó) 南昌 330000）

現(xiàn)階段我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，在煤炭生產(chǎn)總量中緩傾斜厚煤層占40%以上。大采高綜采已經(jīng)成為厚煤層綜采的主要發(fā)展方向之一。查明大采高綜采面超前支撐壓力的分布規(guī)律對(duì)掌握大采高礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，防治煤壁片幫冒頂，確保工作面正常安全回采具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作面地質(zhì)概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦1311（3）工作面位于-610m水平東二采區(qū)，工作面標(biāo)高-408.1m～-463.4m。該工作面走向長(zhǎng)度1150m，傾斜長(zhǎng)221.3m。該面煤層總體穩(wěn)定，局部地段有煤厚變薄現(xiàn)象。根據(jù)上、下順槽實(shí)見煤厚點(diǎn)及鉆孔資料，煤層總厚為2.90～6.50m，平均5.32m。煤層頂?shù)装鍘r性情況見圖1。

2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案

2.1 模型的建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件建立1311（3）大采高綜采工作面三維數(shù)值計(jì)算模型（見圖2）。由于研究的重點(diǎn)在于回采進(jìn)行時(shí)采場(chǎng)的超前支撐壓力，為提高計(jì)算速度，在工作面長(zhǎng)度方向考慮500m，并將采場(chǎng)設(shè)在邊界100m 外以減小邊界效應(yīng)的影響。模型長(zhǎng)×寬×高=500m×420m×150m，工作面推進(jìn)方向沿y軸正方向。模型底部控制z方向位移，四周約束水平位移，將上覆巖層自重?fù)Q算成均布載荷加載到模型頂部。

圖1 1311（3）工作面綜合柱狀

圖2 模型斜視

2.2 力學(xué)參數(shù)的選取

本例采用近似理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，各巖層具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)選取

2.3 數(shù)值模擬方案

由于1311（3）工作煤層起伏較大，最薄處不足3m，最厚處達(dá)到6.5m，因此本文擬建立6個(gè)模型，煤層的厚度取值分別為1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m 及6.5m。然后根據(jù)工作面推進(jìn)方式分步模擬開挖，分別獲得不同采高時(shí)工作面推進(jìn)一定距離后的超前支撐壓力分布情況，并在計(jì)算過程中提取數(shù)據(jù)（見圖3、圖4）。

圖3 不同采高下超前支撐壓力峰值

圖4 不同采高下超前支撐壓力峰值作用范圍

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，工作面超前支撐壓力與采高呈如下關(guān)系：隨著采高增大，超前支撐壓力峰值不斷減小，且曲線呈"凸"拋物線型，減小趨勢(shì)明顯；但峰值作用范圍增大，在采高為6.5m 時(shí)，峰值作用范圍接近采高為1.5m 時(shí)的2倍。由下經(jīng)驗(yàn)公式可知：

采高的增大導(dǎo)致兩帶高度變大〔2〕，煤體所需支撐的覆巖重量其實(shí)是增加了的。但是由于煤體強(qiáng)度相對(duì)較弱，在高應(yīng)力作用下，煤體發(fā)生破壞，且應(yīng)力越大，破壞范圍越大，煤體以發(fā)生破壞的方式“緩解”應(yīng)力峰值，這也是大采高工作煤體易發(fā)生片幫的原因所在。因此大采高工作面確定采高時(shí)煤體強(qiáng)度也是需要考慮的因素之一。合理選擇采高也是控制煤壁發(fā)生片幫冒頂?shù)囊环N方法。

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬的方法分析了不同采高情況下1311（3）工作面超前支撐壓力的分布規(guī)律，即隨著采高增大，超前支撐壓力的峰值變小，但其作用范圍增大。并且給出了峰值大小及作用范圍隨采高的變化曲線。峰值的作用范圍增大，是導(dǎo)致大采高工作煤壁片幫的重要原因之一。根據(jù)本文的分析結(jié)果，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)煤機(jī)最小通過高度及支架最大支撐高度，最終確定工作面最低采高不小于3.2m，煤層增厚處最大采高不得大于4.8m，最小采高不小于4.4m。初放期間采高控制在3.6～4.0m。工作面自2011年9月回采至今，沒有發(fā)生工作面大面積片幫和端面冒頂?shù)痊F(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效生產(chǎn)，并為本礦其他類似條件的大采高工作面開采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

〔1〕錢鳴高.礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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