厚煤层综放开采矿压显现规律数值模拟及实测研究

孟庆利

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.神华神东煤炭集团公司 寸草塔煤矿，陕西 榆林046103）

厚煤层综放开采矿压显现规律数值模拟及实测研究

孟庆利1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024；2.神华神东煤炭集团公司 寸草塔煤矿，陕西 榆林046103）

摘要：煤炭开采过程中，破坏了原岩应力的初始平衡状态。原岩应力的重新分布导致工作面出现周期来压。在此过程中涉及一系列的矿压显现现象，如巷道变形，顶板垮落等。以保德煤矿88300综放工作面现场开采实际为基础，通过理论分析、数值模拟和现场观测，分析了工作面在采动及顶煤放落下的矿压显现规律，对周期来压进行了预测，对综放支架的选型提供了依据，为高效安全的煤炭回采提供了理论与技术支持，并为相似条件下的工作面提供一定的参考。

关键词：煤矿开采；原岩应力；周期来压；矿压显现

众所周知，厚煤层储量在我国占有很大的比重。对于厚煤层，针对不同的地质条件，主要的开采方式有分层开采、大采高开采和放顶煤开采。保德煤矿采用的开采方式是综合机械化放顶煤开采。综放式开采具有安全可靠和高产高效的主要优势，可是仍然存在着一些矿压显现问题，例如片帮，支护难以及采煤工艺等问题。国内外学者对于厚煤层开采过程中矿压显现问题做了大量的研究工作。文章通过理论推导和数值模拟对厚煤层工作面矿压显现进行研究。

1　工作面开采条件

保德煤矿88300综放工作面煤层倾角3°～9°，属于近水平煤层，平均厚度为8.63m。工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤法，全部垮落法处理采空区。伪顶为泥岩和炭质泥岩，厚度为0.1 m～0.2 m；直接顶为泥岩和砂质泥岩，厚度在1.94 m以上；基本顶为细沙岩和中沙岩，厚度为10 m以上；直接底为泥岩，厚度为0.65 m～2.0 m。

2　数值模拟研究

采用UDEC数值模拟软件，建立特厚煤层开采的数值计算模型，动态分析煤层开采过程中上覆岩层的运移规律和工作面前后方支撑压力分布规律，进一步分析煤层开采中上覆岩层的破坏规律，得到了厚煤层开采过程中上覆岩层的结构特征，能直接了解矿压显现的规律。

2.1数值模拟建立及模拟方案

根据该综放工作面的地质资料，利用离散元程序UDEC建立二维数值计算模型。沿着煤层倾向建立模型，煤层倾角为3°～9°，近水平煤层。所以可简化模型水平布置。图1为建立的数值计算模型图。

图1　数值计算模型图

模型的顶部以上的岩层通过加载恒应力实现。模型的边界条件为：左右两端边界水平位移为零，下端边界垂直位移为零，上端边界有均布载荷作用。初始条件为：各边界的初始应力都为零，并且无位移，无速度。垂直方向只受重力影响，重力加速度为10m/s2。为了提高数值模拟的准确性，模型中岩层力学参数都源于现场及实验室测试。数值模拟计算各岩层力学参数，如表1所示。

表1　数值模拟计算各岩层力学参数

对煤层进行开挖，研究随着煤层开挖不断的增加对上覆岩层产生的效果。对于每一次开挖平衡后再进入下一次开挖，共开挖100m。通过不同长度的开挖，分析上覆岩层的变形垮落情况和顶煤的破碎情况。从而更加明确为高效高产放顶煤生产提供指导依据。

2.2模拟结果分析

当推进50m的过程中，工作面出现初始来压。来压前回采工作面上方的顶板压力较小，但是煤壁内的支撑压力增大甚至达到极值，所以工作面的两帮出现片帮现象。工作面超前支撑压力明显增大，直接顶也开始垮落，基本顶出现变形。

当推进100 m的过程中，采空区的上覆岩层老顶开始断裂。垂直应力出现拱式结构。由于上覆岩层中出现块体咬合的结构，将导致工作面前方支撑压力急剧增加，采空区后方大幅度的减少。图2为工作面分别推进50m和100m时的垂直应力云图。

图2煤层推进不同距离的应力分布

3　实测结果分析

3.1测点布置方案及要求

为了准确掌握保德煤矿88300综放工作面矿压显现情况，进行了以综放采工作面支架工作阻力监测为主的现场矿山压力实测工作。

共设置3个支架工作阻力测区，分别为下部测区（Ⅰ）、中部测区（Ⅱ）和上部测区（Ⅲ），其中下部测区对应近机头部位17号和18号支架，中部测区对应70号和71号支架，上部测区对应123号和124号支架。每个测区布置2条测线，1条测线对应1个支架，每个支架设置1台电脑圆图仪，监测2柱支架的左右立柱工作阻力。全工作面共设置6台电脑圆图仪，监测6个支架的工作阻力。

3.2观测结果及分析

根据在不同的运行状态下，工作面液压支架工作阻力的监测结果。通过绘制液压支架在推进过程中的工作阻力图。以横坐标为推进距离，纵坐标为综放工作面液压支架的工作阻力。研究在推进过程中矿压显现规律。

研究可见，当周期来压时，液压支架的工作阻力明显的增加，而且中间支架的平均工作阻力大于两端支架的工作阻力。初撑力和末阻力分布区间不均匀，工作面中部稍好；左右柱压力比较均匀无明显偏载现象。顶板的周期性运动现象比较明显，老顶初次来压步距平均为55.2 m，老顶周期来压步距平均为12.9m；工作面上、中、下部位来压前、来压时顶板压力有明显差别。工作面中部最大循环末阻力均值是下部均值的1.21倍；支架荷载动载系数均值kD=1.14～1.40，中部均值最大达1.40。

通过采集到来压前与来压时支架工作阻力，分析来压过程整个工作面受压情况。具体对比曲线见图3。

图3　周期来压前与来压时支架工作阻力对比图

图3所示，a和b两条曲线分别代表来压前和来压时的工作面液压支架的工作阻力。不管来压前或来压时，液压支架的最大工作阻力都集中在中部位置，同时在两端也出现极值点。曲线b的极值点均比a曲线的极值点大，而且离散性也较大。

综上所述，工作面来压期间支架的支护阻力大幅度的增加，中部向两端呈现泊松分布式的发展。随着工作面的不断推进，工作面岩层悬空距不断增加，当老顶达到极限垮距并且断裂时形成三铰拱式平衡。随着工作面的继续推进，将导致新老顶断裂岩块的出现，当断裂岩块间的咬合不能满足平衡关系时，老顶岩块失稳垮落，就产生了老顶初次来压矿压显现。初次来压后，已冒落矸石与裂隙带岩层之间会形成一个暂时的稳定结构，但随着回采工作面的继续推进，由于断裂岩块间的互相运动，此种结构会经历“稳定—失稳—再稳定”的周而复始的变化过程，进而导致工作面顶板的周期性来压。

4　结束语

1）通过离散元软件对保德煤矿厚煤层综放面上覆岩层的运移规律进行了模拟，能直观地观察上覆岩层的变形破坏规律和工作面所受垂直应力大小等变化。

2）将数值模拟和现场实测进行对比，结果大体相同。现场测试由于布点滞后的原因，没有监测到初次来压情况。两者都表明，随着采煤工作面的不断推进，上覆岩层将会断裂破坏，导致周期来压。来压时，工作面前方支撑压力明显增大。

3）顶板岩层中原生或由于扰动引起的次生裂隙的进一步发育，使得岩体的物理力学特性分布不均匀，直接导致周期来压不均匀和综放工作面液压支架工作阻力离散型很大。

参考文献：

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［4］杨永康，康天合，兰毅.浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（2）：244-253.

（编辑：刘新光）

中图分类号：TD823

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-065-03

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.019

收稿日期：2015-10-12

作者简介：孟庆利（1982-），男，山西朔州人，在读工程硕士，助理工程师，从事采矿工程技术与管理工作。

Numerical Simulation and Field Research of Strata Behavior in Thick Seam Fully-mechanized M ining

MENG Qingli1,2
（1.College ofMining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；（2.Cuncaota Mine，Shenhua Shendong Coal Group，Yulin 046103，China）

Abstract：Coalmining breaks the initial equilibrium of in-situ stress.The re-distribution of the in-situ stress causes the periodic weightingofworking face.In the process，a series of strata behaviors are involved，including roadway deformation，roof falling，etc.Based on No.88300 fully-mechanized working face in Baode Mine，theoretical analysis，numerical simulation and field observation were adopted to study the stratabehaviorunderminingand top coalcavingand predict the periodicweighting.The study provides evidence for supporting selection and theoreticaland technologicalsupport for theefficientand safe caving，which could behelpful for theworking faces in the similarsituation.

Keywords：coalmining；in-situ stress；periodicweighting；strata behavior