2105綜放工作面覆巖活動規(guī)律分析及礦壓特征研究

苗青旺

（潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司2105綜放工作面位于11#煤層21采區(qū)，煤層均厚為6.3m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層平均傾角為4°，含有3～5層夾矸層，容重為1.4t/m3。11#煤層直接頂板為深灰色石灰?guī)r，均厚8.82m，底板為黑灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖，局部為鋁質(zhì)泥巖，均厚2.98m。工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。2105工作面沿11#煤層底板布置，工作面南部為井田南部邊界，緊鄰豹子溝煤業(yè)井田，北部為11號煤回風(fēng)、膠帶、軌道三條大巷，東為實體煤，西部為2103工作面采空區(qū)。2105工作面面長為200m，傾向可采長度1091m，采用綜采放頂煤采煤工藝，設(shè)計采高3m，循環(huán)進度0.8m。工作面采用6架ZTA650/19.5/34型端頭、端尾支架型排頭、排尾架，其余支架均采用ZF6000/17/33型液壓支架，該支架的初撐力為5708kN，最大工作阻力為6000kN，支架平均支護強度為495k～660kN/m2。現(xiàn)對低位綜放工作面上覆巖層的運動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征進行分析，以指導(dǎo)后續(xù)工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 11#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 上覆巖層活動規(guī)律

2.1 理論分析

根據(jù)相關(guān)礦山壓力與巖層控制理論[1-3]，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄鄳?yīng)采用彎矩形成的極限垮落步距作為分析基礎(chǔ)，結(jié)合伊田煤業(yè)11#煤層的具體地質(zhì)條件，采用固支梁的理論分析基本頂?shù)臉O限垮落步距，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄郘f表達式如下：

式中：

Lf-基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄?，m；

q-第一層頂板所受的荷載，kPa；

RT-基本頂?shù)目估瓘姸?，MPa；

h1-基本頂巖層的厚度，m。

根據(jù)2105工作面的地質(zhì)條件取q=836.5kPa，RT=3.15MPa，h1=10.58m，基于上述數(shù)據(jù)計算得出基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄郘f=29.03m。

工作面基本頂周期來壓步距計算的理論依據(jù)與初次來壓步距的計算依據(jù)相同，采用基本頂?shù)膽冶凼綄卷數(shù)闹芷趤韷翰骄噙M行分析，基本頂周期來壓步距的計算公式如下：

式中：

Lz-基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄?，m；

q-第一層頂板所受的荷載，kPa；

RT-基本頂?shù)目估瓘姸?，MPa；

h1-基本頂巖層的厚度，m。

根據(jù)2105工作面的地質(zhì)條件取q=836.5kPa，RT=3.15MPa，h1=10.58m，基于上述數(shù)據(jù)計算得出基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄郘z=11.85m。

2.2 數(shù)值模擬分析

由于綜放工作面煤層的覆巖運動規(guī)律較為復(fù)雜，采用理論分析綜放工作面覆巖運動規(guī)律時具有一定的局限性。為有效研究分析2105低位綜放工作面回采過程中上覆巖層的運動規(guī)律，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，模型長×寬=300m×73.5m。將模型兩邊的水平位移進行固定，固定底板的垂直位移，采用support命令對工作面的液壓支架進行模擬[4-7]。設(shè)置支架的初撐力為5708kN，最大工作阻力6000kN，端面距為300mm，結(jié)合2105工作面的具體情況對巖層的各項參數(shù)進行賦值，設(shè)置在模型的兩側(cè)留設(shè)50m的保護煤柱。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，2105工作面在推進不同距離下覆巖的運動過程，現(xiàn)把工作面推進10m、25m、40m和70m時覆巖的運動狀態(tài)列于圖2。

圖2 工作面推進不同距離時圍巖塑性區(qū)分布圖

通過具體分析圖2可知，隨著回采作業(yè)的進行，工作面頂板首先出現(xiàn)塑性破壞的區(qū)域為兩端煤壁上方的直接頂、基本頂巖層和采空區(qū)的中部。隨著回采工作面的進一步推進，工作面上方的直接頂和直接頂巖層的破壞范圍會逐漸增大，同時工作面基本頂上方的巖層也逐漸產(chǎn)生破壞。在基本頂達到極限垮落步距后，上覆巖層出現(xiàn)初次垮落現(xiàn)象，且工作面上覆巖層的塑性區(qū)會由采空區(qū)中部和兩端頭逐漸向周圍發(fā)育。同時根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在工作面推進25～30m時，工作面基本頂開始出現(xiàn)初次垮落現(xiàn)象，即表明工作面的初次垮落步距在25～30m范圍內(nèi)。隨著回采作業(yè)的持續(xù)進行，基本頂會出現(xiàn)周期性破斷來壓的現(xiàn)象，根據(jù)模擬結(jié)果可知，基本頂出現(xiàn)周期破斷的步距約在12m～17m的范圍內(nèi)，據(jù)此可知數(shù)值模擬得出的基本頂初次來壓步距及周期來壓步距與理論分析得出的結(jié)果基本相同。

3 礦壓特征分析

3.1 礦壓觀測方案

為對2105綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，在工作面回采期間，對液壓支架進行長期觀測作業(yè)。通過觀測液壓支架的初撐力、支護阻力以及工作面回采過程中支架的位態(tài)，分析綜放工作面在開采過程中的礦壓規(guī)律及支架的適應(yīng)性。觀測方案將工作面劃分為上部、中部和下部三個監(jiān)測分區(qū)，上部測區(qū)監(jiān)測6～10#液壓支架，中部測區(qū)監(jiān)測48#、51#和53#液壓支架，下部測區(qū)監(jiān)測79#、82#和85#液壓支架。通過分析不同區(qū)域液壓支架的工作阻力的曲線對工作面不同區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)特征進行分析。

根據(jù)礦壓控制理論可知[8]，基本頂來壓的判據(jù)公式如下：

式中：

pm-基本頂來壓液壓支架工作阻力的判據(jù)；

pD-支架全部工作阻力的均值；

σp-液壓支架支護阻力的均方差。

將2105工作面回采過程中的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，代入式（3）中，能夠計算得出工作面上部區(qū)域、中部區(qū)域、下部區(qū)域液壓支架的工作阻力為4231kN、4355kN、3868kN。

3.2 礦壓監(jiān)測結(jié)果

在2105綜放工作面回采過程中，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果的整理和統(tǒng)計分析知，三個測區(qū)內(nèi)液壓支架的監(jiān)測結(jié)果基本相同。故現(xiàn)分別選取工作面上部、中部和下部的一個液壓支架，具體對工作面11#、51#、82#液壓支架的工作阻力曲線圖進行分析。三臺液壓支架的工作阻力曲線如圖3所示。

圖3 工作面回采過程中液壓支架工作阻力曲線圖

通過具體分析圖3可知，在2105綜放工作面推進60m的范圍內(nèi)，結(jié)合上述工作面上部、中部及下部區(qū)域液壓支架的來壓判據(jù)能夠得出，工作面基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗟姆秶?0.8～16.8m的范圍內(nèi)，周期來壓的平均步距為13.38m。該數(shù)據(jù)與理論分析和數(shù)值模擬分析的結(jié)果基本一致，驗證了理論和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。為有效分析2105綜放工作面液壓支架的適應(yīng)性，根據(jù)工作面推進過程中對支架實測的工作阻力值統(tǒng)計，得出如表1所示的實測支架工作阻力數(shù)據(jù)表。

表1 工作面回采過程中支架工作阻力及循環(huán)末阻力

通過分析表1可知，2105工作面液壓支架工作阻力的加權(quán)平均值為3866.5kN/架，占支架額定工作阻力的64.8%。工作面推進60m的范圍內(nèi)，實測支架的最大工作阻力為5919.2kN，占支架額定工作阻力的98.6%。實測結(jié)果得出的支架循環(huán)末阻力的加權(quán)平均值為3826.6 kN/架，占支架額定工作阻力的63.8%。在工作面基本頂來壓期間，支架循環(huán)末阻力的最大值為5833.1 kN，占額定工作阻力的97.2%。可知，在2105綜放工作面回采期間，支架的工作阻力得到了充分的利用，支架的整體適應(yīng)性較好。

4 結(jié)論

通過對2105低位綜放工作面覆巖運動規(guī)律進行理論分析和數(shù)值模擬分析，得出工作面基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗪椭芷趤韷翰骄喾謩e約為25～30m和12～17m，工作面上覆巖層的塑性區(qū)發(fā)育形態(tài)表現(xiàn)為由采空區(qū)中部和兩端頭逐漸向周圍發(fā)育。通過對2105綜放工作面回采過程中礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知，工作面回采過程中ZF6000/17/33型液壓支架平均工作阻力占額定工作阻力的64.8%，平均循環(huán)末阻力占額定工作阻力的63.8%，回采過程中無液壓支架超出額定工作阻力，支架的適應(yīng)性良好。