大采高综放工作面覆岩运动规律研究

郭瑞永

(大同煤矿集团马道头煤业公司， 山西 大同 037000)

1 前言

随着矿井开采技术的成熟和机械化水平不断发展，大采高综放开采技术已经成为厚煤层开采的发展方向。但是大采高会导致工作面围岩所承受应力增大，巷道围岩在纵向和横向上运动范围增大，容易引发冒顶、片帮，影响工作面的安全回采[1-3]。而大采高也会导致工作面支架阻力增加，支架稳定性差，可能会出现由于阻力不足导致支架压死的现象，对设备造成一定的损害[4]。因此，研究大采高综放工作面覆岩运动规律，对控制围岩破坏和支架选型等具有重要的指导意义。

2 工作面概况

同煤集团某矿8105工作面位于北一盘区辅运大巷西部，切巷西部为铁丰铁路保护煤柱，北侧为正在掘进的8106工作面，两个工作面之间为DF24断层保护煤柱，南侧为规划中的8104工作面。工作面四周均为实煤区，对应上部无采空区。工作面走向长度2 288m，倾斜长度220m。工作面煤层赋存3#～5#煤，煤层赋存稳定，厚度为3.76～6.53m，平均4.9m，为3、5#煤层合并区域。3～5#煤层有1～6层夹矸，平均厚度0.97m，岩性主要为泥岩、炭质泥岩，煤的普氏系数f=3。

3 覆岩运动规律数值模拟

3.1 模拟方案

采用UDEC建立大采高综放工作面数值分析模型，通过不同采高工作面覆岩位移变化得到覆岩运动规律。根据8105工作面地质条件，建立200 m×100 m模型，将上覆岩层作用在工作面上方近似为均布载荷，岩层力学参数见表1。为了监测工作面覆岩运动规律，分别在工作面上方4m、8m、14m处布置3条水平测线监测垂直位移变化情况。

表1 模型各岩层力学参数

工作面回采后上覆岩层会出现“三带”，通过模拟不同采高时冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的高度，得到大采高综放工作面覆岩破坏情况与一般采高的不同之处，从而得到大采高综放工作面覆岩运动规律[5-7]。

3.2 模拟结果分析

当工作面自开切眼回采至35m处直接顶初次断裂，采用UDEC分别模拟采高2～7m，工作面覆岩破坏情况如图1所示。

图1 不同采高工作面推进至35m时覆岩运动

由图1可知，不同采高的工作面推进至35m处，覆岩破坏情况各不相同。根据位于工作面上方4m处的监测线1#监测结果可知，覆岩纵向最大位移位于采空区中部位置。当采高为2m时，最大位移为1.4m，并且随着采高的增大，工作面覆岩最大位移不断增加，当采高增大到7m时，纵向位移增加到6.5m。1#监测线监测覆岩纵向位移值均较大，由此可知，1#监测层位覆岩已垮落，采高2～7m垮落带高度均为4m。

根据位于工作面上方8m处的监测线2#监测结果可知，覆岩纵向最大位移位于采空区中部位置。当采高分别为2m、3m、4m、5m、6m、7m时，纵向最大位移为8cm、10cm、3.2m、4.3m、5.2m、6m。由监测数据可以看出，采高为4m时，覆岩位移突然快速增大，表明2#监测层位覆岩已经垮落。当采高小于4m时，工作面回采后该监测层位覆岩弯曲下沉与采空区矸石接触承载；当采高大于4m时，该层位岩层垮落，不能继续承载。

根据位于工作面上方14m处的监测线3#监测结果可知，当采高分别为2m、3m、4m、5m、6m、7m时，最大位移为6cm、8cm、10cm、4.0m、4.8m、5.5m。由监测数据可以看出，采高为5m时，覆岩位移突然快速增大，表明2#监测层位覆岩已经垮落，该监测层位岩层进入垮落带。

从工作面上方4m、8m、14m处布置3条水平测线监测结果可知，当工作面采高为2～3m时，直接顶与采空区矸石接触，冒落带不在向上发育，稳定在一定的数值，直接顶上方形成离层；当工作面采高为4～7m时，直接顶垮落，不能形成稳定结构，冒落带高度随着采高增大不断增加。8105工作面不同采高工作面覆岩冒落带高度见表2。

表2 工作面不同采高冒落带高度

4 不同采高覆岩结构研究

4.1 冒落带研究

由表2数据绘制工作面不同采高覆岩冒落带高度示意图，如图2所示。

图2 不同采高冒落带高度示意图

由图2可知，8105综放工作面冒落带高度随着工作面采高的增加整体呈现增大的趋势，但整体增大趋势不是线性的，而是折线增大趋势。由图中可以看出，在个别拐点处呈现突变的趋势，其原因是由于工作面覆岩出现关键层，关键层控制覆岩的运动。

4.2 离层研究

根据UDEC模拟数据绘制工作面离层随采高变化示意图，如图3所示。

图3 不同采高离层高度示意图

由图3可知，8105综放工作面离层高度随着工作面采高的增加整体呈现增大的趋势，其主要原因时，随着采高的增加，工作面上覆岩层运动空间增大，从而造成工作面覆岩运动剧烈，导致离层高度增大。

5 工作面覆岩运动现场探测

采用在8105工作面布置深基点的方式，对工作面覆岩运动规律进行现场探测，将现场监测数据与模拟结果比较。根据工作面地质条件，布置两个深基点，分别为S50、Q50，其基点布置参数见表3。

表3 工作面覆岩深基点布置参数

根据深基点监测数据绘制工作面基点位移与推进距离示意图，如图4所示。

图4 工作面不同推进距离基点读数

在深基点监测过程中，当工作面自开切眼推进至15m处时，覆岩开始出现垮落的现象，但是支架在线监测系统显示支架阻力没有出现明显增大，由此可以判定，当工作面推进至15m处时，工作面覆岩出现初次垮落。由图4可知，当8105工作面推进至距离切眼29m处时，深基点S50读数急剧增大，直至增大到300mm后保持稳定，由此表明，工作面初次垮落步距为29m。当8105综放工作面推进至29m位置时，距离煤层顶板10m布置的S50深基点有位移，且呈现增大的趋势，表明工作面推进至该位置时，顶板突然下沉。因此，由此可以判定工作面冒落带高度为10m，与采用UDEC模拟软件得到的数据大致相似。

由模拟结果和现场监测数据可知，8105综放工作面初次垮落步距为29m，冒落带高度为10m。

6 结论

(1)根据模拟结果可知，冒落带高度随着采高的增加呈现非线性增大趋势，个别拐点处呈现突变的趋势，其原因是由于工作面覆岩出现关键层，关键层控制覆岩的运动。离层高度随采高的增加整体呈现增大的趋势，工作面上覆岩层运动空间增大，从而造成工作面覆岩运动剧烈，导致离层高度增大。

(2)采用布置S50、Q50两个深基点的方式布置监测随工作推进基点位移，由监测结果可知，8105综放工作面初次垮落步距为29m，冒落带高度为10m。