淺埋中厚煤層超長(zhǎng)工作面末采礦壓規(guī)律研究

劉會(huì)利，郭彥科

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 錦界煤礦，陜西 榆林 719319)

神東礦區(qū)大部分區(qū)域煤層賦存表現(xiàn)出淺埋深、薄基巖、厚松散層的特點(diǎn)，經(jīng)礦區(qū)實(shí)踐及多方科研團(tuán)隊(duì)研究表明其采場(chǎng)礦壓并沒有因?yàn)槁裆顪\而減弱，反而會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)[1-4]。末采作為工作面推進(jìn)及接替過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，其礦壓顯現(xiàn)具有特殊性、強(qiáng)烈性等特點(diǎn)，因此，探究工作面末采階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)工作面貫通回撤通道具有可靠的指導(dǎo)作用。

近年來，針對(duì)淺埋煤層覆巖運(yùn)移與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律日趨成熟[5，6]。神東礦區(qū)開發(fā)伊始，黃慶享等[7，8]便提出了淺埋煤層基巖基本頂切落的短塊“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)模型；白俊豪[9]以布爾臺(tái)煤礦42煤大采高綜采工作面為研究對(duì)象，對(duì)其末采期間主回撤通道礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分析總結(jié)了圍巖變形破壞特征和通道頂板來壓顯現(xiàn)等數(shù)據(jù)，提出了相似工作面主回撤通道貫通時(shí)應(yīng)采取的措施和建議；王生彪，黃慶享[10]對(duì)榆家梁煤礦42208超長(zhǎng)綜采工作面初采、周期來壓、末采頂板來壓規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，總結(jié)了淺埋煤層超長(zhǎng)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和覆巖移動(dòng)規(guī)律。經(jīng)過上述及相關(guān)文獻(xiàn)[11，12]的分析研讀，發(fā)現(xiàn)對(duì)淺埋條件下中厚煤層超長(zhǎng)工作面末采礦壓規(guī)律研究甚少，且研究方法均為實(shí)測(cè)分析，研究手段單一，對(duì)相似工作面礦壓預(yù)測(cè)可靠性不強(qiáng)。因此，本文擬采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合上個(gè)工作面末采礦壓分析，對(duì)神東錦界煤礦31114綜采工作面末采回撤通道貫通過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，并總結(jié)出相應(yīng)的淺埋條件下中厚煤層超長(zhǎng)工作面末采礦壓規(guī)律。

1 工程概況及礦壓觀測(cè)方案

1.1 工作面概況

錦界煤礦31114綜采工作面沿煤層傾向布置，為調(diào)斜工作面，工作面運(yùn)輸巷推進(jìn)長(zhǎng)度5189m、工作面回風(fēng)巷推進(jìn)長(zhǎng)度5254.6m，工作面現(xiàn)推進(jìn)4750m，即將進(jìn)入末采。工作面兩條進(jìn)風(fēng)巷和一條回風(fēng)巷與31煤一盤區(qū)集中輔運(yùn)大巷垂直，采用錨桿、錨索和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，31114工作面位置及巷道布置如圖1所示。工作面長(zhǎng)度369.4m，煤層厚度3.05～3.53m，平均3.29m，煤層埋深91～121m，傾角1°。直接頂為粉砂巖，平均厚度4m，基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度11.23m，上覆正?；鶐r厚度31～42m，風(fēng)化基巖厚度11～64m，松散層厚度6.5～67m。工作面使用雙柱支撐掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行支護(hù)，支架中心距1.75m，工作阻力為12000 kN。作為31114工作面末采礦壓參考的31113工作面地質(zhì)概況與其類似，且支護(hù)設(shè)備型號(hào)及回撤通道尺寸參數(shù)相同。

圖1 31114工作面位置及巷道布置

1.2 礦壓觀測(cè)方案

北煤掩護(hù)式液壓支架在左右立柱上安有壓力傳感器，壓力數(shù)值可以動(dòng)態(tài)的顯示在PM32上，把支架PM32上顯示的數(shù)據(jù)傳至辦公電腦屏幕上，每割一刀煤，將測(cè)點(diǎn)支架的數(shù)據(jù)記錄下來并定期收集礦壓數(shù)據(jù)，便于研究來壓步距和頂板活動(dòng)規(guī)律。

將31114工作面及31113工作面的正?；夭善陂g、末采期間礦壓數(shù)據(jù)整理，對(duì)比分析兩個(gè)工作面正?；夭蓵r(shí)的礦壓規(guī)律，并結(jié)合31113工作面末采礦壓顯現(xiàn)指導(dǎo)31114工作面回撤通道貫通。

2 數(shù)值模型建立與方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)31114工作面地層綜合柱狀圖采用3DEC軟件內(nèi)置命令等效建立地層數(shù)值模型，模型大小為200m×2m×90.5m(由于3DEC軟件計(jì)算時(shí)對(duì)模型塊體數(shù)量有要求，因此推進(jìn)方向只建立200m)。模型中切割的最小塊體為直接頂塊體，大小為0.75m×2m×1m。模型中使用的巖層力學(xué)參數(shù)見表1。模型施加的邊界條件：固定模型前、后、左、右邊界，因模型建至地表，模型上部不施加載荷，地層中施加z方向上9.8m/s2的重力加速度。

表1 31114工作面地層巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬方案設(shè)計(jì)

模型計(jì)算初始平衡后，工作面開切眼布置在x=-66～-60m處，寬6m，回撤通道布置在x=70～75m處，寬5m，高3.5m。工作面從開切眼處向回撤通道推進(jìn)，一般以5m/步的速度推進(jìn)，臨近測(cè)點(diǎn)時(shí)放慢推進(jìn)速度，每推進(jìn)一步計(jì)算10000時(shí)步，共推進(jìn)136m，此回撤通道采用錨桿、錨索加垛式支架支護(hù)，模型中施加方案如下：頂部一排五根錨桿加三根錨索，副幫三根錨桿，錨桿長(zhǎng)2.1m，預(yù)緊力60kN，錨索長(zhǎng)8m，預(yù)緊力140kN；頂板施加1.12MPa的等效垛式支架的載荷。

礦壓觀測(cè)方法及目的如下：①通過在控頂區(qū)煤壁處頂板中設(shè)置位移測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頂板下沉量來判斷頂板來壓規(guī)律；②通過在回撤通道頂板中設(shè)置豎直位移測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)回撤通道貫通時(shí)頂板下沉變化情況；③通過在回撤通道正煤幫處設(shè)置水平位移測(cè)點(diǎn)及支承應(yīng)力測(cè)點(diǎn)來預(yù)測(cè)回撤通道將要貫通時(shí)兩幫移進(jìn)情況和煤幫支承應(yīng)力變化狀況。

3 礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 正?；夭蓵r(shí)31114與31113工作面礦壓對(duì)比

31114與31113工作面回采的采高、埋深和基巖厚度基本一致，但31114工作面長(zhǎng)度較31113長(zhǎng)68m，首先研究工作面長(zhǎng)度與對(duì)礦壓數(shù)據(jù)的關(guān)系，將31113工作面與31114工作面推進(jìn)至170～340m的礦壓數(shù)據(jù)每隔3刀取一個(gè)數(shù)值，運(yùn)用軟件Origin9.1繪制成折線圖如圖2所示。31114工作面長(zhǎng)度369.4m，推進(jìn)170m，共計(jì)來壓16次，周期來壓步距10.6m；31113工作面長(zhǎng)度301m，推進(jìn)170m，共計(jì)來壓13次，周期來壓步距13m。計(jì)算得，31113與31114工作面長(zhǎng)度比例為1.227，31114與31113工作面周期來壓步距比例為1.226，因此，在錦界煤礦一盤區(qū)地質(zhì)條件下，工作面長(zhǎng)度與周期來壓步距近似成反比。

圖2 31113與31114工作面正常開采周期來壓對(duì)比

31114工作面平均來壓強(qiáng)度為41.425MPa，最大來壓強(qiáng)度為46.2MPa；31113工作面平均來壓強(qiáng)度為40.76MPa，最大來壓強(qiáng)度為45.3MPa。由此得出：工作面越長(zhǎng)，來壓強(qiáng)度越大，但其差值較小。

3.2 31113工作面末采礦壓分析

31113工作面末采期間，距離工作面貫通回撤通道10m位置為掛網(wǎng)位置，工作面周期來壓馬上推過，有利于末采掛網(wǎng)人員的安全作業(yè)。31113工作面末采期間周期來壓如圖3所示，橫軸4081m處為貫通位置，從圖3中可以看出，在該階段最后47m范圍內(nèi)共來壓4次，平均來壓步距11.75m。工作面共布置176臺(tái)支架，來壓影響到了工作面30架—150架，工作面來壓范圍廣。工作面距回撤通道6m時(shí)，工作面最后一次來壓，來壓持續(xù)5.4m，使得貫通位置處于壓力正常階段。貫通前，31113主回撤通道正幫片幫嚴(yán)重，最大片幫尺寸達(dá)到2.1m×1.6m×0.5m，兩幫出現(xiàn)幫鼓，頂板出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象，最大下沉量達(dá)0.12m。工作面支架立柱中最大壓力達(dá)45.9MPa。

圖3 31113工作面末采周期來壓礦壓曲面圖

3.3 31114工作面末采礦壓預(yù)測(cè)

31114工作面現(xiàn)推進(jìn)至4750m處，還需推進(jìn)439m與回撤通道貫通，預(yù)計(jì)2020年5月份貫通。上文分析出回采時(shí)31113與31114工作面周期來壓步距與工作面長(zhǎng)度近似成反比，將此比例運(yùn)用于末采，31113末采平均周期來壓步距11.75m，則31114末采時(shí)平均周來壓步距為9.58m。為確保掛網(wǎng)安全，掛網(wǎng)位置同樣取倒數(shù)第二次來壓后，距回撤通道約10～15m。末采期間支架立柱中最大壓力約為46.9MPa。

回撤通道貫通時(shí)頂板最好的狀態(tài)是周期來壓剛結(jié)束，結(jié)合31113工作面即將貫通時(shí)來壓持續(xù)長(zhǎng)度，若工作面距回撤通道一定距離S時(shí)工作面未來壓，則應(yīng)停采等壓，使得頂板巖層中裂隙充分發(fā)育后垮落，縮短來壓步距。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]實(shí)踐與研究成果，距離S計(jì)算方法如下：

S2=le

(2)

S=max(S1，S2)

(3)

式中，S1為煤壁塑性區(qū)寬度(理論計(jì)算所得停采位置)，m；Kd為動(dòng)壓系數(shù)，依據(jù)工作面礦壓數(shù)據(jù)計(jì)算取1.6；M為回撤通道貫通時(shí)工作面采高，取3.2m；A為煤層側(cè)壓系數(shù)，計(jì)算得1.18；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取38°；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；γ為上覆巖層平均重度，計(jì)算得21428kN/m3；c為煤體內(nèi)聚力，取1.2MPa；S2實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所得停采位置，m；le為31113工作面末采貫通回撤通道時(shí)來壓持續(xù)長(zhǎng)度，取5.4m。

經(jīng)計(jì)算得出：S1=4.16m，S2=5.4m。因此，末采等壓時(shí)工作面距回撤通道位置S取5.4m。

4 31114工作面末采數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 末采期間回撤通道變形分析

31114回撤通道正幫(靠工作面一側(cè)煤壁)及頂板位移量隨工作面推進(jìn)變化如圖4所示。從圖4中可以看出，工作面開采初期回撤通道形成時(shí)，兩幫移進(jìn)量幾乎為0，頂板下沉量為0.98cm；當(dāng)工作面采至距回撤通道約95m處時(shí)，回撤通道正幫開始向外變形，位移量較小，當(dāng)工作面采至距回撤通道約30m處時(shí)，正幫變形量達(dá)到最大值3.08cm，繼續(xù)向前推進(jìn)10m后變形量穩(wěn)定在2.2cm左右；當(dāng)工作面采至距回撤通道約20m處時(shí)回撤通道頂板開始發(fā)生下沉，工作面距回撤通道10m時(shí)下沉速度加快，此時(shí)下沉量累計(jì)為2.48cm，工作面距回撤通道5m時(shí)下沉量累計(jì)為4.45cm，工作面距回撤通道3m時(shí)下沉量累計(jì)為5.59cm，工作面距回撤通道1.5m時(shí)下沉量累計(jì)為6.43cm，當(dāng)工作面貫通回撤通道時(shí)下沉量累計(jì)為14.04cm。

圖4 回撤通道正幫及頂板位移量隨工作面推進(jìn)變化曲線

4.2 回撤通道正幫應(yīng)力分析

回撤通道正幫支承應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化如圖5所示，從圖5中可以看出，工作面距回撤通道25m時(shí)，該測(cè)點(diǎn)處支承應(yīng)力明顯開始上升，距回撤通道5m時(shí)，應(yīng)力增長(zhǎng)速度最快，當(dāng)回撤即將通道貫通前，中間煤壁處支承應(yīng)力達(dá)到峰值17MPa；貫通時(shí)錨桿中的最大應(yīng)力達(dá)到4.9MPa。因此，在工作面貫通回撤通道時(shí)，需防止煤壁炸幫、煤塊飛出傷人等事故的發(fā)生。

圖5 回撤通道正幫支承壓力隨工作面推進(jìn)變化曲線

4.3 末采工作面來壓分析

數(shù)值模擬試驗(yàn)中末采時(shí)控頂區(qū)頂板下沉量(支架活柱下縮量)隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律如圖6所示，工作面推進(jìn)136m時(shí)，貫通回撤通道，開采最后30m工作面共來壓3次，最后一次來壓是距回撤通道5m處，此時(shí)工作面頂板下沉量開始急劇上升，貫通時(shí)頂板最大下沉量上升至22cm，小于工作面支架活柱行程，在保證貫通時(shí)工作面足夠采高的前提時(shí)，回撤通道可安全貫通。

圖6 末采階段控頂區(qū)頂板下沉量隨工作面推進(jìn)變化曲線

5 結(jié) 論

1)通過對(duì)錦界煤礦淺埋中厚煤層31113和31114工作面正?；夭蓵r(shí)來壓步距和來壓強(qiáng)度分析，得出：淺埋中厚煤層工作面周期來壓步距與工作面長(zhǎng)度近似成反比；來壓強(qiáng)度隨工作面長(zhǎng)度增加而增加，但增幅不大。

2)基于以上關(guān)系，通過對(duì)31113工作面末采時(shí)礦壓分析，推測(cè)出31114工作面末采時(shí)工作面來壓步距為9.58m，支架立柱中最大壓力為46.9MPa。合理掛網(wǎng)位置為倒數(shù)第二次工作面來壓后，距回撤通道約10～15m。采用理論公式計(jì)算得出31114工作面末采等壓位置為距回撤通道貫通5.4m處。

3)使用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)31114工作面末采過程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，工作面貫通回撤通道時(shí)回撤通道頂板下沉量為14.04cm，正幫鼓起2.2cm，工作面支架活柱下縮量為22cm。

4)31114工作面按上述參數(shù)做好末采掛網(wǎng)、等壓及保證采高等措施時(shí)，工作面可安全貫通。