大采高壁式钻采工作面围岩稳定性数值分析与监测研究

徐 薇 刘 波,2 闫振东 李 鹏 高 雷

(1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；3. 晋城煤业集团金鼎煤机矿业有限责任公司，山西省晋城市，048006)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

大采高壁式钻采工作面围岩稳定性数值分析与监测研究

徐 薇1刘 波1,2闫振东3李 鹏1高 雷1

(1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083；2. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；3. 晋城煤业集团金鼎煤机矿业有限责任公司，山西省晋城市，048006)

以晋煤集团赵庄2号井钻采工作面为例，采用有限差分数值模拟和现场监测相结合的方法，对使用钻采法采煤工艺的大采高壁式钻采工作面的矿压显现特征进行了研究。模拟计算结果表明，围岩竖向应力的分布呈现双峰型；在工作面前方的应力升高区，超前支承压力峰值范围平均为7.2 m，影响范围为55 m。回风平巷顶板下沉、两帮移近的现场监测值与模拟计算值吻合较好。综合模拟计算得出的超前支承压力影响范围，建议在工作面平巷超前55 m的范围内，同时需注意顶板、两帮的活动变化，加强巷道支护。

钻采法 大采高 数值模拟 围岩竖向应力

大量的资源整合矿井由于缺少相应的采煤工艺和高效机械化综采设备，仍采用简易机采或炮采的方式进行生产，安全性差、生产效率低、产量低、工作环境恶劣、资源丢失严重，这一问题在厚煤层中小型矿井中更为突出。晋煤集团研发了一种能满足厚煤层中小型矿井安全高效生产的新型一次采全高钻采法采煤机。该采煤工艺和配套综采设备，适应于10 m以上的短工作面，不仅可用于常规壁式大采高工作面开采，还可用于回收小块段资源和大型煤柱，将解决大型综采设备无法应用于资源相对分散、储量相对较少的中小型矿井的开采难题，促进我国中小型矿井安全高效生产与机械化程度提高。

本文通过有限差分法数值模拟和现场实测相结合的方法，以晋煤集团赵庄2号井短壁大采高钻采工作面为依托，对新型一次采全高钻采法采煤工艺的实例应用及矿压显现特征进行研究，指导大采高壁式钻采工作面的安全生产，为该采煤工艺的推广应用和安全保障提供技术支撑。

1 工程概况

1.1 工作面简介

赵庄2号井短壁大采高工作面采用一次采全高的采煤工艺，开采3#煤层，煤层厚5.3～6 m，平均厚度5.36 m；煤层倾角1°～8°，平均3°；普氏硬度0.4～1.3；埋深413～437 m，平均421 m。直接顶为厚1.8 m的泥岩，老顶为厚1.6 m的粉砂岩，直接底为厚1.0 m的泥岩，老底为厚2.4 m的粉砂岩。工作面采用倾斜短壁、全部垮落、后退式综合机械化一次采全高采煤工艺，工作面倾向长度90 m，走向长度298 m，采高5.0 m，循环进尺1.2 m。工作面配置1部MG120/181-NWD型单滚筒采煤机和61组ZY5500/24/52型两柱掩护式轻型液压支架，工作面布置如图1所示。

1.2 工作面来压情况

工作面从开始开采到推进至155 m共发生8次周期来压。老顶来压影响时间为3 d左右，老顶初次来压步距为45.0～46.9 m，平均45.9 m；动载系数最大值为1.72，最小值为1.46，平均值为1.59。周期来压期间，垮落步距最大值为19.4 m，最小值为6.1 m，平均值为13.2 m；动载系数最大值为1.77，最小值为1.17，平均值为1.42，强度较小。周期来压呈现来压步距小、频率高、强度低的特点。

图1 大采高壁式钻采工作面布置图

2 工作面围岩稳定性数值模拟

2.1 数值模型的建立

为分析工作面围岩应力场演化及竖向应力的变化，运用FLAC3D软件进行三维数值模拟。计算模型x方向外扩展2倍工作面倾向长度，为270 m；y方向外扩展1倍工作面走向长度，为600 m；z方向老底、直接底、煤层、直接顶、老顶厚度和为12 m，沿老顶向上取73 m、沿老底再向下取55 m，以消除尺寸效应。采用理想弹塑性Mohr-Coulomb本构模型。在开挖区域采用六面体单元划分。所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面为z方向位移固定，左右边界为x方向位移固定，前后边界为y方向位移固定。三维模型如图2所示，各岩层的物理力学参数见表1。

表1 岩层的物理力学参数表

图2 数值模型示意图

2.2 围岩应力场演化分析

模拟时，按照正常工作面的布置顺序进行。当老顶完全屈服时，停止计算。工作面直接顶开始大面积垮落时，工作面进尺为12 m；老顶开始垮落时，进尺为36.5 m，初次垮落基本结束时，工作面进尺为38.4 m。由于切眼的宽度为8.5 m，计算取整后，直接顶垮落步距取21 m，老顶初次垮落步距取48 m，随后按3 m/次的开挖步距模拟开采过程，计算得在工作面推进过程中沿走向方向的部分竖向应力云图如图3、图4和图5所示。

由图3、图4和图5可知，随着工作面的推进，自开切眼起煤层上覆岩层开始形成压力拱，竖向应力云图演示了上覆岩层压力拱的形成、向上发育至最高部位、不再向上发展而继续向水平方向发展的过程。在工作面的推进过程中，上覆岩层竖向应力的演变有以下特征：

图3 工作面推进至21 m时直接顶垮落前竖向应力云图

图4 工作面推进至48 m时老顶初次垮落前竖向应力云图

图5 工作面推进至120 m时老顶周期垮落前竖向应力云图

(1)模型开挖边界至回采工作面控顶距末端为应力降低区，即支架后方采空区，随着采空区顶板的及时垮落，竖向应力迅速降至零(或接近零)；

(2)工作面控顶距内上部为应力释放区，在该区域内煤层面上的应力很小，其应力分布形式与数值计算模型中支架施加给顶板的支护强度相对应；

(3)垮落前工作面煤壁前方应力急剧升高并在某个距离内达到峰值应力为应力升高区，即煤体的塑性区。该区域内应力急剧增加，煤层发生压缩和破坏，是煤壁片帮破坏的关键区域；

(4)应力峰值点至模型右边界为应力恢复区，该区域内远离应力峰值点煤岩层受开挖的采动影响越来越小，应力分布规律一般按负指数规律递减，并逐渐恢复到原岩应力；

(5)切眼后方亦存在一个应力较高区域，在沿整个走向方向上，竖向应力分布呈现双峰型。

2.3 各阶段竖向应力变化分析

工作面推进至各阶段时，竖向应力变化曲线如图6所示。由图6可知，工作面前方始终有一个应力升高区，且随着工作面的逐步推进，该应力升高区在沿工作面走向方向是一个不断前移的动态过程。工作面前方的应力升高区，超前支承压力峰值范围平均为7.2 m，峰值介于16.32～19.04 MPa，而原岩应力为10.05 MPa，则应力集中系数为1.62～1.9；得出工作面超前支承压力影响范围为55 m。

图6 工作面推进不同距离时的竖向应力曲线

2.4 工作面采场围岩的竖向应力分析

为更好地分析工作面开采后的支承压力分布变化，在工作面倾向左扩展至-75 m、向右扩展至175 m，在工作面走向向前扩展至350 m，进行竖向应力分析。模拟当工作面推进至300 m时，工作面采场围岩的竖向应力分布如图7所示。

同理于工作面走向方向的竖向应力分布，在沿工作面整个倾向方向上，其竖向应力分布也呈现双峰型。在进风平巷、回风平巷中，靠近采煤体帮面上的应力随着工作面的推进迅速降至为零。而向进风平巷、回风平巷外侧的煤柱延伸，即不断接近未开采煤层的屈服区时，应力迅速增加，并随着煤层内岩石性质的变化，在某个距离上达到峰值应力，之后逐渐降低至原岩应力。

图7 工作面采场围岩的竖向应力分布

2.5 工作面巷道围岩表面位移分析

在模拟工作面推进的过程中，对回风平巷超前70 m范围内的顶板下沉、两帮移近量进行分析，如图8所示。由图8可知，顶板下沉量累积最大值为69 mm，两帮移近量累积最大值为182 mm。在距离工作面55 m以外时，巷道顶板与两帮变形量很小；在距离工作面55 m以内时，二者的变形量开始急剧增加。

图8 巷道顶板下沉、两帮移近

3 巷道围岩表面位移工程监测

巷道表面位移是评价巷道支护效果的重要指标，包括顶底板移近量和两帮移近量。考虑到现场实际情况，在回风平巷工作面超前70 m处设置收敛监测断面，布置顶板、左帮、右帮3个观测基点，采用JSS30A型数显收敛计进行测读，通过几何计算，对超前70 m范围内的顶板、两帮变形量进行分析。

在回采过程中，随着工作面的向前推进，当回风平巷监测点位置距工作面的距离只有14m时，受超前液压支护设备的影响，位移监测结束，回风平巷顶板、两帮变形量的a、b两组实测值与模拟计算值对比如图9所示。由图9可知，监测期间回风平巷顶板下沉量累积最大值为38 mm，两帮移近量累积最大值为144.4 mm。观测点在距离工作面50 m以外时，巷道顶板与两帮变形量很小；回采过程中，随着工作面逐步靠近观测点，当观测点距离工作面50m以内时，二者的变形量开始急剧增加。实测得出的变形量急剧增加范围与模拟计算的结果基本吻合，验证了模拟计算的准确性。在工作面超前55 m的范围内，应注意顶板、两帮的活动变化，加强巷道支护。

图9 巷道顶板下沉、两帮移近实测值与模拟计算值的对比

4 结论

(1)大采高壁式钻采工作面老顶初次来压步距平均为45.9 m；周期来压期间垮落步距最大值为19.4 m，最小值为6.1 m，平均值为13.2 m；周期来压呈现来压步距小、频率高、强度低的特点。

(2)在沿工作面走向方向和工作面倾向方向上，围岩竖向应力的分布均呈现双峰型。模拟计算得出工作面前方的应力升高区，超前支承压力峰值范围平均为7.2 m，峰值介于16.32～19.04 MPa，应力集中系数为1.62～1.90；工作面超前支承压力影响范围为55 m。

(3)在工作面开采推进过程中，进行了回风平巷顶板下沉、两帮移近的监测。监测结果表明：回风平巷顶板下沉、两帮移近的实测值与模拟计算值结果吻合较好。结合模拟得出的超前支承压力影响范围，建议在工作面平巷超前55 m的范围内，同时需注意顶板、两帮的活动变化，加强巷道支护。

[1] 邓小鹏. 大采高工作面覆岩运移规律及矿压显现特征特殊性研究 [J]. 中国煤炭，2017(3)

[2] 李子豪. 大采高工作面开采技术研究 [J]. 中国煤炭，2014(6)

[3] 曲秋扬，毛德兵. 大倾角大采高综采工作面支架工作阻力分布特征研究 [J]. 中国煤炭，2014(3)

[4] 弓培林，靳钟铭. 大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究 [J]. 煤炭学报，2004(1)

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[6] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制 [M].徐州: 中国矿业大学出版社，2003

[7] 闫振东. 一次全高、后退、分体移动、全跨落综合机械化采煤方法及设备[P]. 中国发明专利: 200610048328, 2007-3-21

(责任编辑 陶 赛)

山西省上半年新增煤炭产能16810万t

山西省煤炭工业厅发布《山西省煤炭工业厅关于2017上半年建设煤矿产能情况的公告》显示，截至6月底，山西省共有建设煤矿343家，合计新增产能16810万t/a。上述煤矿中，大部分属于资源整合矿井，新建煤矿有5家，合计产能3520万t/a；改扩建煤矿5家，新增产能800万t/a，其余均为资源整合煤矿。上述煤矿中，进入联合试运转的有44家，合计产能2270万t/a。隶属五大集团的煤矿共有100家，其中焦煤集团共有建设煤矿38家，合计新增产能2756万t/a；同煤集团共有建设煤矿8家，合计新增产能360万t/a；阳煤集团共有建设煤矿12家，合计新增产能471万t/a；潞安集团共有建设煤矿12家，合计新增产能1247万t/a；晋煤集团共有建设煤矿30家，合计新增产能882万t/a。

Numericalanalysisandmonitoringresearchonsurroundingrockstabilitywithlargeminingheightbydrilling-spallingmethod

Xu Wei1, Liu Bo1,2, Yan Zhendong3, Li Peng1, Gao Lei1

(1.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Haidian, Beijing 100083, China;2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology, Haidian, Beijing 100083, China;3. Jincheng Coal Mining Group Kingding Mining and Machinery Co., Ltd., Jincheng, Shanxi 048006, China)

Based on a drilling-spalling work face project of Zhaozhuang No.2 Mine of Jincheng Coal Mining Group, using numerical simulation and field monitoring, the characteristics of rock pressure appearance of large mining height work face by using drilling and mining method was studied. Numerical analysis results indicated that the distribution of vertical stress of surrounding rock displayed a double-peak curve. In the stress rising areas in front of work face, the average range of advancing support pressure peak value was 7.2 m, and the influence range was 55 m. Field monitoring results accorded with the numerical calculating results. Combined with the simulation influence range of advancing support pressure, the movement of roof and bolted walls needed to be focused on during construction and the roadway supporting should be strengthened within the advanced range.

drilling-spalling method, large mining height, numerical simulation, vertical stress of surrounding rock

国家自然科学基金(41472259)，“十三五”国家重点研发计划重点专项(2016YFC0802505)

徐薇，刘波，闫振东等. 大采高壁式钻采工作面围岩稳定性数值分析与监测研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(8)：56-60. Xu Wei, Liu Bo, Yan Zhendong, et al. Numerical analysis and monitoring research on surrounding rock stability with large mining height by drilling-spalling method [J]. China Coal，2017,43(8)：56-60.

TD326

A

徐薇(1989-)，女，安徽淮南人，在站博士后，现在中国矿业大学(北京)工程力学博士后流动站工作，从事地下工程方面的研究。