大傾角特厚煤層綜放開采礦壓顯現規律研究

張鎖紀

（山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司，山西 呂梁 033200）

特厚煤層采用綜放開采工藝，具有高產、高效和安全等一系列優勢[1]。由于綜放工作面開采煤層厚度大，往往礦壓顯現也較為劇烈。目前對于綜放工作面礦壓顯現的研究大多針對緩傾斜近水平煤層，而對于大傾角特厚煤層綜放開采的礦壓顯現規律研究卻相對較少[2]。針對龐龐塔煤礦9-301 大傾角特厚煤層綜放工作面的煤層賦存條件，對其礦壓顯現規律進行研究，以促進大傾角特厚煤層的綠色安全高效開采很有必要。

1 礦井及工作面基本情況

龐龐塔煤礦地處山西省臨縣縣城以東，井田南北長20 km、東西寬3 km，面積60.731 km2，保有儲量約12 億t，產能10 Mt/a。9-301 工作面位于三采區，工作面走向長1 327 m，傾斜長247 m，北側與采區暗斜井相鄰，其南側與井田邊界相鄰，西側與已回采的9-101 工作面相鄰，東側煤炭資源未開采，部分地段上覆5#煤層5-108、5-101 采空區。蓋山厚度為320～500 m，平均埋深460 m。9#煤層厚度10.8～12.4 m，平均11.8 m；傾角4°～34°，平均20°。機采高度、 放煤高度分別為3.2 m、8.6 m，采用一采一放的方式，割煤步距0.8 m。

9-301 工作面煤層頂板情況如表1所示。

表1 9-301 工作面煤層頂板情況

2 大傾角特厚煤層開采頂板結構力學分析

大傾角煤層綜放開采工作面的直接頂與緩傾斜近水平煤層工作面直接頂垮落情況不同，不能隨采隨冒全部垮落[3]。隨著綜放開采頂煤的放出，直接頂失去足夠的支撐力，在上覆巖層的作用下達到破壞極限，從而發生破壞并隨煤流一同向采空區滾落。由于煤層傾角的存在，破斷的矸石同時會沿煤層傾向向下山方向滾動，造成矸石在工作面下段堆積，沿煤層傾向方向，工作面上部的直接頂一般能全部冒落，且冒落后矸石向工作面下部移動充填[4-5]。工作面中部直接頂內的下分層能夠較好破碎冒落，上分層會發生不同程度的斷裂，產生塊度較大的塊體。工作面下部只有下分層會產生破壞冒落，來自上、中部的矸石在此堆積壓實，形成良好的支撐體。由于工作面中部的上分層會冒落較大塊體，且排列整齊，加上未冒落的直接頂，走向方向上會出現砌體拱結構。大傾角煤層工作面直接頂傾向結構力學模型，如圖1所示。

圖1 大傾角煤層工作面直接頂傾向結構力學模型

3 大傾角特厚煤層開采數值模擬分析

3.1 模型建立

基于9-301 工作面空間與地質情況，通過FLAC3D模擬軟件構建相應模型，來分析回采過程當中頂板應力規律。約束模型在X 軸兩側、Y 軸兩側和Z 軸底部上的位移，將大小為7.2 MPa 的等效載荷作用于Z 軸上部，并將其設置為自由面，將自重載荷設定為Z 軸。模型長度500 m，寬度400 m，高度250 m，包含648 960 個單元、683 995 個節點。數值模擬模型如圖2所示。

圖2 9-301 工作面數值模型

3.2 模擬結果分析

（1）工作面圍巖應力分布規律

9-301 工作面開采前圍巖應力分布如圖3所示。

圖3 9-301 工作面開采前圍巖應力分布

9-301 工作面超前支承壓力如表2所示。

表2 9-301 工作面超前支承壓力統計

由圖3和表2可知，9-301 工作面下部處在殘留煤柱應力影響區，應力達到12～18 MPa；工作面上部處在上部采空區卸壓區域，應力為8～12 MPa，其采動應力分布較為復雜。煤柱下方和非煤柱下方的支承壓力分布特征如下： ①工作面回采進度為50 m 時，超前支承壓力峰值在煤柱區、非煤柱區分別為28.4 MPa、14.3 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影響范圍30 m；②工作面回采進度為100 m時，超前支承壓力峰值在煤柱區、非煤柱區分別為30.2 MPa、19.5 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影響范圍37 m； ③超前支承壓力峰值及其影響范圍，會在工作面回采過程中出現逐步增大的現象，工作面回采進度為200 m 時，超前支承壓力峰值在煤柱區、非煤柱區分別為31.9 MPa、24.7 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影響范圍45 m，并且此后超前支承應力峰值和及響范圍會處于穩定狀態；④受上方5#煤層工作面遺留煤柱的影響，9-301工作面下部區段受到集中應力的影響，工作面前方支承壓力較大，峰值壓力達到33.4 MPa。

（2）工作面頂煤運移規律

9-301 工作面開采過程中頂煤水平位移分布如圖4所示。

圖4 9-301 工作面開采過程中頂煤水平位移分布

9-301 工作面采用綜合機械化放頂煤開采方法，頂煤的運移規律影響頂煤的放出效果。由圖4可知： 在超前支承應力和采空區頂板的共同影響下，水平方向上頂煤在工作面前方6.4 m 開始發生移動，垂直方向上頂煤由上至下逐漸移動。

4 大傾角特厚煤層開采礦壓監測分析

將9-301 工作面支架的礦壓監測數據作為研究對象，在工作面上、中、下部分別選取部分支架數據進行分析，以支架平均循環末阻力與其均方差之和作為周期來壓判斷依據，工作面頂板來壓步距統計情況如表3所示。

表3 工作面頂板來壓步距統計情況

根據以上3 架支架的礦壓數據并結合圖4可知，9-301 工作面平均初次來壓步距26.2 m，平均周期來壓步距5.3 m。工作面布置ZF12000/22/35型放頂煤液壓支架，來壓、非來壓期間的支架工作阻力峰值分別為10 334.58 kN、9 375.92 kN，分別占其額定工作阻力的86.1%、78.1%，支架在頂板周期來壓期間的平均動載系數為1.11。除此之外，在工作面不同位置，其所布置支架承載壓力和來壓步距具有差異性，工作面上部支架所承載壓力要比中下部支架要大，并且工作面上部來壓步距也比中下部要大。

5 結論

1）通過數值模擬可以得出，9-301 工作面下部處于殘留煤柱的應力影響區，應力達到12～18 MPa；工作面上部處于上部采空區的卸壓區域，應力為8～12 MPa，采動應力分布較為復雜。超前支承壓力的峰值及影響范圍會隨工作面推進過程逐步增大，工作面回采200 m 時，超前支承應力峰值及響范圍會處于穩定狀態。受上方5#煤層工作面遺留煤柱的影響，工作面下部區段受集中應力影響顯著，工作面前方支承壓力較大，峰值壓力達到33.4 MPa。在超前支承應力和采空區頂板的共同影響下，水平方向上頂煤在工作面前方6.4 m 開始發生移動，垂直方向上由上至下頂煤逐漸移動。

2）通過礦壓監測可以得出，9-301 工作面平均初次來壓步距26.2 m，平均周期來壓步距5.3 m。工作面布置ZF12000/22/35 型放頂煤液壓支架，來壓、非來壓期間的支架工作阻力峰值分別為10 334.58 kN、9 375.92 kN，分別占其額定工作阻力的86.1%、78.1%，支架在頂板周期來壓期間的平均動載系數為1.11。除此之外，在工作面不同位置，支架承載壓力和來壓步距具有差異性，工作面上部支架所承載壓力要比中下部支架要大，并且工作面上部來壓步距也比中下部要大。工作面在周期來壓期間出現了煤壁片幫、漏頂等情況，因此周期來壓是大傾角特厚煤層工作面頂板控制的重點時期。