淺埋中厚煤層超長工作面末采礦壓規律研究

劉會利，郭彥科

(神東煤炭集團有限責任公司 錦界煤礦，陜西 榆林 719319)

神東礦區大部分區域煤層賦存表現出淺埋深、薄基巖、厚松散層的特點，經礦區實踐及多方科研團隊研究表明其采場礦壓并沒有因為埋深淺而減弱，反而會出現較強烈的礦壓顯現[1-4]。末采作為工作面推進及接替過程中最重要的環節之一，其礦壓顯現具有特殊性、強烈性等特點，因此，探究工作面末采階段礦壓顯現規律對工作面貫通回撤通道具有可靠的指導作用。

近年來，針對淺埋煤層覆巖運移與礦壓顯現規律日趨成熟[5，6]。神東礦區開發伊始，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”結構模型和“臺階巖梁”結構模型；白俊豪[9]以布爾臺煤礦42煤大采高綜采工作面為研究對象，對其末采期間主回撤通道礦壓顯現進行了實測，分析總結了圍巖變形破壞特征和通道頂板來壓顯現等數據，提出了相似工作面主回撤通道貫通時應采取的措施和建議；王生彪，黃慶享[10]對榆家梁煤礦42208超長綜采工作面初采、周期來壓、末采頂板來壓規律進行實測研究，總結了淺埋煤層超長綜采工作面礦壓顯現規律和覆巖移動規律。經過上述及相關文獻[11，12]的分析研讀，發現對淺埋條件下中厚煤層超長工作面末采礦壓規律研究甚少，且研究方法均為實測分析，研究手段單一，對相似工作面礦壓預測可靠性不強。因此，本文擬采用數值模擬方法，結合上個工作面末采礦壓分析，對神東錦界煤礦31114綜采工作面末采回撤通道貫通過程中的礦壓顯現規律進行預測，并總結出相應的淺埋條件下中厚煤層超長工作面末采礦壓規律。

1 工程概況及礦壓觀測方案

1.1 工作面概況

錦界煤礦31114綜采工作面沿煤層傾向布置，為調斜工作面，工作面運輸巷推進長度5189m、工作面回風巷推進長度5254.6m，工作面現推進4750m，即將進入末采。工作面兩條進風巷和一條回風巷與31煤一盤區集中輔運大巷垂直，采用錨桿、錨索和鋼筋網聯合支護，31114工作面位置及巷道布置如圖1所示。工作面長度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，基本頂為細砂巖，平均厚度11.23m，上覆正?；鶐r厚度31～42m，風化基巖厚度11～64m，松散層厚度6.5～67m。工作面使用雙柱支撐掩護式液壓支架進行支護，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工作面地質概況與其類似，且支護設備型號及回撤通道尺寸參數相同。

圖1 31114工作面位置及巷道布置

1.2 礦壓觀測方案

北煤掩護式液壓支架在左右立柱上安有壓力傳感器，壓力數值可以動態的顯示在PM32上，把支架PM32上顯示的數據傳至辦公電腦屏幕上，每割一刀煤，將測點支架的數據記錄下來并定期收集礦壓數據，便于研究來壓步距和頂板活動規律。

將31114工作面及31113工作面的正?；夭善陂g、末采期間礦壓數據整理，對比分析兩個工作面正?；夭蓵r的礦壓規律，并結合31113工作面末采礦壓顯現指導31114工作面回撤通道貫通。

2 數值模型建立與方案設計

2.1 數值模型建立

根據31114工作面地層綜合柱狀圖采用3DEC軟件內置命令等效建立地層數值模型，模型大小為200m×2m×90.5m(由于3DEC軟件計算時對模型塊體數量有要求，因此推進方向只建立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參數見表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參數

2.2 模擬方案設計

模型計算初始平衡后，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，一般以5m/步的速度推進，臨近測點時放慢推進速度，每推進一步計算10000時步，共推進136m，此回撤通道采用錨桿、錨索加垛式支架支護，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2.1m，預緊力60kN，錨索長8m，預緊力140kN；頂板施加1.12MPa的等效垛式支架的載荷。

礦壓觀測方法及目的如下：①通過在控頂區煤壁處頂板中設置位移測點，監測頂板下沉量來判斷頂板來壓規律；②通過在回撤通道頂板中設置豎直位移測點預測回撤通道貫通時頂板下沉變化情況；③通過在回撤通道正煤幫處設置水平位移測點及支承應力測點來預測回撤通道將要貫通時兩幫移進情況和煤幫支承應力變化狀況。

3 礦壓實測結果分析

3.1 正?；夭蓵r31114與31113工作面礦壓對比

31114與31113工作面回采的采高、埋深和基巖厚度基本一致，但31114工作面長度較31113長68m，首先研究工作面長度與對礦壓數據的關系，將31113工作面與31114工作面推進至170～340m的礦壓數據每隔3刀取一個數值，運用軟件Origin9.1繪制成折線圖如圖2所示。31114工作面長度369.4m，推進170m，共計來壓16次，周期來壓步距10.6m；31113工作面長度301m，推進170m，共計來壓13次，周期來壓步距13m。計算得，31113與31114工作面長度比例為1.227，31114與31113工作面周期來壓步距比例為1.226，因此，在錦界煤礦一盤區地質條件下，工作面長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比

31114工作面平均來壓強度為41.425MPa，最大來壓強度為46.2MPa；31113工作面平均來壓強度為40.76MPa，最大來壓強度為45.3MPa。由此得出：工作面越長，來壓強度越大，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位置為掛網位置，工作面周期來壓馬上推過，有利于末采掛網人員的安全作業。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范圍內共來壓4次，平均來壓步距11.75m。工作面共布置176臺支架，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，工作面最后一次來壓，來壓持續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重，最大片幫尺寸達到2.1m×1.6m×0.5m，兩幫出現幫鼓，頂板出現明顯的下沉現象，最大下沉量達0.12m。工作面支架立柱中最大壓力達45.9MPa。

圖3 31113工作面末采周期來壓礦壓曲面圖

3.3 31114工作面末采礦壓預測

31114工作面現推進至4750m處，還需推進439m與回撤通道貫通，預計2020年5月份貫通。上文分析出回采時31113與31114工作面周期來壓步距與工作面長度近似成反比，將此比例運用于末采，31113末采平均周期來壓步距11.75m，則31114末采時平均周來壓步距為9.58m。為確保掛網安全，掛網位置同樣取倒數第二次來壓后，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。

回撤通道貫通時頂板最好的狀態是周期來壓剛結束，結合31113工作面即將貫通時來壓持續長度，若工作面距回撤通道一定距離S時工作面未來壓，則應停采等壓，使得頂板巖層中裂隙充分發育后垮落，縮短來壓步距。根據相關文獻[13-15]實踐與研究成果，距離S計算方法如下：

S2=le

(2)

S=max(S1，S2)

(3)

式中，S1為煤壁塑性區寬度(理論計算所得停采位置)，m；Kd為動壓系數，依據工作面礦壓數據計算取1.6；M為回撤通道貫通時工作面采高，取3.2m；A為煤層側壓系數，計算得1.18；φ為煤體內摩擦角，取38°；K為應力集中系數，取2.5；γ為上覆巖層平均重度，計算得21428kN/m3；c為煤體內聚力，取1.2MPa；S2實踐經驗所得停采位置，m；le為31113工作面末采貫通回撤通道時來壓持續長度，取5.4m。

經計算得出：S1=4.16m，S2=5.4m。因此，末采等壓時工作面距回撤通道位置S取5.4m。

4 31114工作面末采數值模擬結果分析

4.1 末采期間回撤通道變形分析

31114回撤通道正幫(靠工作面一側煤壁)及頂板位移量隨工作面推進變化如圖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，兩幫移進量幾乎為0，頂板下沉量為0.98cm；當工作面采至距回撤通道約95m處時，回撤通道正幫開始向外變形，位移量較小，當工作面采至距回撤通道約30m處時，正幫變形量達到最大值3.08cm，繼續向前推進10m后變形量穩定在2.2cm左右；當工作面采至距回撤通道約20m處時回撤通道頂板開始發生下沉，工作面距回撤通道10m時下沉速度加快，此時下沉量累計為2.48cm，工作面距回撤通道5m時下沉量累計為4.45cm，工作面距回撤通道3m時下沉量累計為5.59cm，工作面距回撤通道1.5m時下沉量累計為6.43cm，當工作面貫通回撤通道時下沉量累計為14.04cm。

圖4 回撤通道正幫及頂板位移量隨工作面推進變化曲線

4.2 回撤通道正幫應力分析

回撤通道正幫支承應力隨工作面推進變化如圖5所示，從圖5中可以看出，工作面距回撤通道25m時，該測點處支承應力明顯開始上升，距回撤通道5m時，應力增長速度最快，當回撤即將通道貫通前，中間煤壁處支承應力達到峰值17MPa；貫通時錨桿中的最大應力達到4.9MPa。因此，在工作面貫通回撤通道時，需防止煤壁炸幫、煤塊飛出傷人等事故的發生。

圖5 回撤通道正幫支承壓力隨工作面推進變化曲線

4.3 末采工作面來壓分析

數值模擬試驗中末采時控頂區頂板下沉量(支架活柱下縮量)隨工作面推進變化規律如圖6所示，工作面推進136m時，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，此時工作面頂板下沉量開始急劇上升，貫通時頂板最大下沉量上升至22cm，小于工作面支架活柱行程，在保證貫通時工作面足夠采高的前提時，回撤通道可安全貫通。

圖6 末采階段控頂區頂板下沉量隨工作面推進變化曲線

5 結 論

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

2)基于以上關系，通過對31113工作面末采時礦壓分析，推測出31114工作面末采時工作面來壓步距為9.58m，支架立柱中最大壓力為46.9MPa。合理掛網位置為倒數第二次工作面來壓后，距回撤通道約10～15m。采用理論公式計算得出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數值模擬軟件對31114工作面末采過程進行模擬，模擬結果顯示，工作面貫通回撤通道時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工作面按上述參數做好末采掛網、等壓及保證采高等措施時，工作面可安全貫通。