综放工作面过空巷超前支承压力数值模拟研究

张中海

（大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司，山西　大同　037024）

引言

近年来，伴随着煤炭资源不断整合和日益枯竭，在科学采矿的大背景下，越来越多的矿井面临着工作面过空巷回采[1-2]。然而由于相对于普通工作面回采存在的特殊性和研究局限性，工作面过空巷一直是煤矿开采领域的技术难题[3]，主要表现在：工作面揭露老巷过程中的顶板断裂特征及稳定性同普通工作面相比存在较大的特殊性；由于空巷的存在，工作面推进过程中前方煤体的支承压力环境不断发生变化，巷道围岩裂隙发育并发生较大变形，支护困难且支护方式受工作面回采限制；工作面揭露老巷时空顶距迅速增大，且由于原老巷围岩状况较差，端面煤岩体控制困难，易发生大面积冒顶片帮等事故；对工作面支架稳定性及正常通风等带来一定程度的影响[4-5]。

1　综放工作面过空巷数值模拟分析

1.1　综放工作面过空巷支承压力分布规律研究

综放工作面推进过程中，距离空巷较远时，采场前方煤柱仍处于弹性状态，只有空巷两侧较小范围的煤体受巷道掘进影响发生塑性破坏，此时的支承压力分布规律如图1中曲线1所示。工作面继续推进，当煤柱宽度减小到一定值时，煤柱左侧即图中Ⅱ区受空巷影响已进入破坏状态，煤柱右侧即图中Ⅰ区受工作面回采影响也发生破坏，整个煤柱均发生塑性破坏而卸载，对顶板的支撑性能迅速降低，并引发煤柱向空巷方向显著位移；空巷左侧的煤体由原来承受高压的弹性区，衍变为破裂区、塑性区，而且支承压力向煤体深处转移，煤体也向巷道方向显著位移，导致空巷变形过大，支护困难，此时的支承压力分布如图1中曲线2所示。

1.2　综放工作面过空巷支承压力数值模拟研究

图1　采场前方支承压力变化模型

为得到工作面不断推进时的支承压力分布规律及围岩塑性区破坏发展动态状况，建立9102综放工作面过空巷的UDEC数值计算模型，分别模拟采场距离空巷50m、15m、5m及完全揭露状态时工作面前方支承压力分布和煤岩体塑性区。模拟初始状态选择未加强支护前保持良好围岩状态的空巷，部分模拟结果如图2、图3、图4、图5所示。

图2　工作面距空巷50m时围岩应力及塑性区分布

图3　工作面距空巷15m时围岩应力及塑性区分布

图4　工作面距空巷5m时围岩应力及塑性区分布

图5　工作面距空巷0m时围岩应力及塑性区分布

模拟结果分析：工作面距空巷50m时，空巷处于采动应力场影响范围以外，围岩受掘巷及构造应力扰动，发生轻度塑性破坏；工作面推进至距离空巷15m时，支承压力峰值出现在煤柱中部区域，应力集中系数达到2.9以上，空巷顶板发生较严重的离层下沉，塑性区范围进一步扩展；当工作面与空巷间煤柱宽度仅5m时，支承压力峰值跨过煤柱及空巷，实际表现为老顶的超前断裂来压，此时空巷顶板失稳冒落，对上方煤岩体失去约束，整个煤柱发生塑性破坏，承载性能迅速下降；煤柱继续减小至空巷完全揭露时，采场无支护梁端距瞬间增大，顶板发生大范围垮冒。

2　过空巷期间端面煤岩体控制措施

2.1　保证支架拥有合理的支护强度

液压支架的支护强度对于保持空巷及采场上方关键块体的稳定性至关重要，空巷揭露后，支架工应严格执行微降架带压移架方法及时移架，移架完成后迅速将支架升至其额定初撑力，并迅速展平护帮板；过空巷期间加强工作面支架管理，支架应承压一次擦顶移架并升架到位，减少支架对顶板反复支撑次数和影响程度，以防对破碎顶煤形成过度扰动，不利于端面煤体控制。

2.2　有效控制支架拥有合理的几何位态指标

工作面过空巷期间，合理支架几何位态主要是控制梁端距与顶梁俯仰角。根据现场实测统计及数值模拟结果，梁端距应控制在0.2～0.4m，控制措施例如尽可能保持割煤的整齐平直，在采煤机前方提前1～2架才将护帮板收起，割煤移架后立即打开护帮板紧贴煤壁等；控制支架顶梁俯仰角目的之一即为提供足够的支架水平支护力，其绝对值应不大于5°，以保持支架稳定和对顶板的有效控制，若旧巷加固段高度与支架有效高度不符时，支架上方必须打木垛接顶，以保持顶板与支架顶梁间足够的摩擦力。

2.3　加强支架故障检测

支架在井下使用过程中，由于工作环境复杂恶劣，加之支架可能存在的不当操作，难免出现一些液压系统故障和支架构件损坏。在工作面过空巷长关键块应力环境下，更加要求支架保持良好的工况条件，因此须在工作面过空巷前对所有支架进行构件尤其是液压系统微泄漏故障进行全面检修。

3　实践效果分析及结论

结合理论分析、数值模拟及现场矿压观测数据，确定9102综放工作面推进至距离空巷50m前就必须完成空巷超前支护，采场与空巷间煤柱完全进入塑性状态的宽度约为5m。

[1]钱鸣高.煤炭的科学开采[J].煤炭学报，2010，35（4）：529-534.

[2]钱鸣高，曹胜根.煤炭开采的科学技术与管理[J].采矿与安全工程学报，2007，24（1）：1-7.

[3]柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报，2005，30（1）：8-11.

[4]苏金元，王晔，杨真.大采高综采工作面过空巷的控制技术[J].矿山压力与顶板管理，2005（4）：104-105.

[5]曹义勇.西曲矿22502综采工作面过空巷技术研究[J].煤矿技术，2009，28（1）：48-50.