玉溪煤礦1301大采高工作面礦壓特征分析

李寧寧

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048214）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦年產(chǎn)量2.4 Mt，礦井主采3#煤層，其1301 工作面位于井田南部的一盤(pán)區(qū)。 該工作面開(kāi)采3#煤層厚度為5.12～7.20 m，平均厚度為5.85 m，煤層內(nèi)平均含有2 層夾矸，夾矸層多為泥巖，平均厚度為0.28 m。 煤層頂板巖層為泥巖和中砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1 所示。 1301 作為礦井首采工作面，采用大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采，開(kāi)采高度為5.8 m。 為指導(dǎo)礦井生產(chǎn)，擬對(duì)該工作面開(kāi)采礦壓特征等進(jìn)行分析探討。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 覆巖模擬分析

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，擬采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面回采期間礦壓特征進(jìn)行分析。建立數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=400 m×280 m×100 m，模型設(shè)置工作面寬度為280 m，在工作面兩側(cè)留設(shè)40 m 的煤柱，模型底部固定豎向位移，模型兩側(cè)固定水平位移，模型頂部施加等效覆巖荷載[1-3]，即施加荷載為7.5 MPa，設(shè)置側(cè)壓系數(shù)為1.2，模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值[4-6]。

模型建立后，首先初始地應(yīng)力平衡，隨后進(jìn)行工作面的循環(huán)開(kāi)挖（一次開(kāi)挖5 m）。 主要對(duì)工作面回采期間覆巖垂直應(yīng)力、 垂直位移和塑性區(qū)發(fā)育特征進(jìn)行分析。

2.1 覆巖垂直應(yīng)力分布

選取工作面回采推進(jìn)至40 m、72 m、86 m 和100 m 處，覆巖垂直應(yīng)力的分布規(guī)律如圖2 所示。

圖2 工作面回采過(guò)程覆巖垂直應(yīng)力分布云圖

從圖2 可知，工作面回采期間在煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，即超前支承壓力影響區(qū)域，影響范圍約為工作面前方10～55 m，峰值出現(xiàn)在工作面前方15～25 m 的位置處，最大值29.93 MPa；在工作面后方20～50 m 的范圍內(nèi)為覆巖離層區(qū)，滯后工作面50～100 m 范圍內(nèi)的垮落矸石會(huì)逐漸被壓實(shí)，該區(qū)域?yàn)閴簩?shí)區(qū)；另外，工作面兩側(cè)支承壓力影響范圍為5～10 m，側(cè)向支承壓力峰值會(huì)出現(xiàn)在6～8 m 的范圍內(nèi)。

2.2 覆巖垂直位移分布

選取工作面回采推進(jìn)至40 m、72 m、86 m 和100 m 處，覆巖垂直位移分布規(guī)律如圖3 所示。

圖3 工作面回采工程覆巖垂直位移分布圖

分析圖3 認(rèn)為，當(dāng)工作面回采推進(jìn)40 m 時(shí)，此時(shí)沿工作面面長(zhǎng)方向形成了一個(gè)卸壓拱形狀，卸壓拱區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)，巖層內(nèi)部的垂直應(yīng)力均處于0～5 MPa 的范圍內(nèi)，此時(shí)覆巖垂直應(yīng)力也大幅增大，覆巖開(kāi)始呈現(xiàn)為“三帶”的分布形式；當(dāng)工作面推進(jìn)到72 m、86 m 和100 m 處，上覆基本頂巖層呈現(xiàn)出周期性破斷變形的特征，基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距在14～17 m 的范圍內(nèi)，平均周期來(lái)壓步距為15 m。

2.3 工作面回采期間覆巖塑性區(qū)的發(fā)育特征

工作面回采推進(jìn)至40 m 處，此時(shí)基本頂初次來(lái)壓，覆巖的垮落高度約為10 m，覆巖裂隙的發(fā)育高度約為16.2 m，隨著工作面的進(jìn)一步回采，覆巖垮落帶的最大發(fā)育高度約為25 m，裂隙帶的最大發(fā)育高度約為75 m，覆巖75 m 以上區(qū)域的巖層為彎曲下沉帶。

3 礦壓監(jiān)測(cè)

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)方案

工作面回采期間，采用支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行液壓支架工作阻力數(shù)據(jù)的采集，在工作面上部、中部和下部分別安裝10 個(gè)支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，從工作面機(jī)頭第5#液壓支架開(kāi)始向機(jī)尾方向，每間隔5臺(tái)液壓支架安裝1 個(gè)支護(hù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀。

工作面采用ZYG15000/27/55D 支撐掩護(hù)式液壓支架，支架安全閥開(kāi)啟值為43 MPa，當(dāng)液壓支架工作阻力大于安全閥開(kāi)啟值時(shí)，安全閥便會(huì)開(kāi)啟。 工作面開(kāi)采期間，重點(diǎn)對(duì)支架安全閥的開(kāi)啟次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工作面回采期間液壓支架的工作阻力及來(lái)壓情況如圖4 所示。

圖4 工作面回采期間液壓支架工作阻力及來(lái)壓曲線

從圖4 可知，工作面基本頂?shù)膩?lái)壓步距的最大值和最小值分別為48.2 m 和7.35 m，平均來(lái)壓步距為22.0 m；上部30#液壓支架來(lái)壓時(shí)的平均阻力為34.7 MPa，非來(lái)壓期間的平均阻力為26.9 MPa；工作面中部95#支架處來(lái)壓步距最大值和最小值分別為22.2 m 和4.9 m，來(lái)壓步距平均值為22.0 m，液壓支架來(lái)壓期間平均阻力和非來(lái)壓期間支架工作阻力值分別為44.4 MPa 和26.9 MPa；130#液壓支架處平均來(lái)壓步距為16.3 m，來(lái)壓期間和非來(lái)壓期間的平均工作阻力分別為36.3 MPa 和28.5 MPa。

通過(guò)對(duì)工作面上部、 中部和下部支架工作阻力情況的統(tǒng)計(jì)分析，得出工作面支架來(lái)壓特征如表1 所示。

表1 工作面上部、中部和下部支架來(lái)壓特征

依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出工作面周期來(lái)壓步距和支架工作阻力曲線如圖5 所示。

圖5 工作面來(lái)壓步距和支架工作阻力曲線

從圖5（a）可知，工作面平均來(lái)壓步距呈現(xiàn)兩端大中間小的特征，工作面上部、中部和下部最大來(lái)壓步距平均分別為48.8 m、29.3 m 和41.4 m；工作面最大來(lái)壓步距的均值為平均來(lái)壓步距均值的2.58 倍，表明覆巖出現(xiàn)2～3 次小的周期來(lái)壓現(xiàn)象，才會(huì)出現(xiàn)1 次覆巖破斷導(dǎo)致的大周期來(lái)壓現(xiàn)象。

從圖5（b）可知，液壓支架平均工作阻力、來(lái)壓判據(jù)及最大工作阻力呈現(xiàn)為中間大、 兩端小的分布特征，總體表現(xiàn)為工作面中部＞下部＞上部，且工作面上部和下部間的差值較小，工作面整體工作阻力的平均值為30.1 MPa，來(lái)壓判據(jù)的平均值為34.9 MPa。

依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出工作面沿著面長(zhǎng)方向支架安全閥開(kāi)啟次數(shù)的曲線如圖6 所示。

圖6 液壓支架安全閥開(kāi)啟次數(shù)曲線

從圖6 可知，液壓支架安全閥開(kāi)啟次數(shù)沿工作面面長(zhǎng)方向呈現(xiàn)為單峰分布，工作面的中部安全閥開(kāi)啟次數(shù)多，中部支架的壓力水平明顯高于兩端頭，且相較于工作面上部，下部安全閥開(kāi)啟的次數(shù)相對(duì)較多。 基于上述分析可知，工作面上部5#～45#液壓支架壓力水平和來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較低，而工作面中部支架的來(lái)壓強(qiáng)度相對(duì)較大，在工作面回采期間需重點(diǎn)加強(qiáng)工作面中部支架管理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)1301 工作面礦壓特征進(jìn)行分析探討；得到如下數(shù)據(jù)：工作面超前支承壓力的影響范圍為10～55 m，垮落帶和裂隙帶的最大發(fā)育高度分別為25 m 和75 m；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，工作面上部、 中部和下部支架的平均來(lái)壓步距為18.7 m、15.0 m 和13.2 m，來(lái)壓步距呈現(xiàn)為兩端大、中間小的特征，在工作面中部液壓支架安全閥開(kāi)啟次數(shù)多，需加強(qiáng)管理。