浅埋深大采高工作面长度变化对采场矿压规律的影响

王 泽

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

浅埋深煤层由于其特殊的赋存条件，其矿压显现具有如下特征：来压步距小，来压强烈；工作面覆岩垮落基本上为垮落带和断裂带“两带”；工作面上方顶板破断运动直接波及地表；来压的主要特征是顶板大面积冒顶并呈现台阶下沉。其矿压特征受诸多因素的影响，如地表松散层厚度、基岩层厚度、地表地形、上覆岩层性质等客观地质因素和采高、推进速度等主观可控因素[1-3]。

目前，井下采场矿压理论和假说具有代表性的主要有：压力拱假说、悬臂梁假说、砌体梁理论、铰接岩块假说、传递岩梁理论、关键层理论等[4-6]。但上述理论和假说主要聚焦于采场推进方向的顶板覆岩结构和矿山压力显现规律，且大都认为采场支架载荷与采场推进时形成的临时结构及煤层厚度有关，而与工作面长度关系不大。对于无关键层的浅埋深、厚基岩松软顶板采场的工作面长度变化对采场矿压规律影响的有关研究尚未发现。本文以铁煤集团敬老院煤矿为例，分析了浅埋深、厚基岩松软顶板情况下，工作面长度方向的“压力拱”结构，并通过数值模拟和现场观测的方法研究了不同工作面长度的矿压特征。

1 工程概况

铁煤集团敬老院煤矿现开采4-2煤层，结构简单，煤厚2.30～4.01m，平均煤厚3.3m，平均单轴抗压强度为11MPa，倾角0°～4°。煤层瓦斯含量较小，含硫量高。煤层自然发火期为3～6个月，极易自燃。煤层埋深120.2m，基岩以泥岩和泥页岩为主，属第四纪沉积。井下现场试验和理论分析研究均表明，煤层上方岩层节理裂隙发育，无法形成梁、板及关键层结构。8406工作面走向推进长度为1455m，工作面长度为219m，8422工作面推进长度为1436m，工作面长度为130m，可采煤层厚度平均为3.17m。工作面支架有两种型号：一种为ZZ6800，工作阻力为6800kN，初撑力5438kN；另一种为ZZ8800，工作阻力为8800kN，初撑力6240kN。两种支架间隔一组交错布置。端头支架型号为ZTZ22500。

2 采煤工作面复合应力拱特点

采煤工作面的煤层被采出后，老顶呈现铰接结构，与其上方的松软覆盖层互相作用，形成复合应力拱结构，如图1所示。在该结构中，工作面一定范围内的上覆岩层重量通过前后两个拱脚传递到两端实体煤内，拱内围岩整体呈冒落拱形式下沉。由图1可以看出，“外应力拱”的两个拱脚“支撑”在工作面两端的实体煤内，其跨度覆盖整个工作面长度。“外应力拱”有两个作用，首先要承担悬空煤岩体的重量，其次还要把应力传递到“外应力拱”两侧的煤柱中。在“外应力拱”内，破碎煤岩体相互铰接还会生成诸多的“内应力拱”，其与“外应力拱”以铰接形式链接。随着采煤工作面不断推进，“内应力拱”不断变化，最后与“外应力拱”合并。根据已有压力拱理论[7]，“外应力拱”跨度可用式(1)计算：

图1 应力拱计算简图

式中，hh为应力拱高度，m；b为应力拱跨度，m；f为工作面上覆岩层的坚固性系数，取2.5；d为工作面长度，m；a为工作面前后拱脚各自在煤体内占有的距离，m；hl为工作面煤厚，取3.3m，φ为顶板岩层内摩擦角，取30°。

通过“外应力拱”跨度计算式(1)可知，“外应力拱”的高度hh随着采煤工作面长度d的变化而改变，且工作面长度d越大，则压力拱高度hh越大，因而导致工作面顶板被压碎破裂的程度就越大。

数据拟合结果表明：工作面上方压力拱高度与工作面长度关系为二次多项式函数关系，且工作面长度超过240m后，应力拱的高度逐渐趋于恒定值，如图2所示。

图2 “应力拱”的高度与采煤工作面长度关系

3 数值模拟研究

3.1 数值模型的建立

上述采场复合应力拱特点分析结果仅仅考虑了工作面的长度因素，但没有考虑采场推进长度的影响，而有关研究表明[6]：增加采空区宽度对岩石压力拱影响最大；增加采空区长度对覆岩走向压力拱的空间形态影响较明显。另外，采场超前支承压力影响范围、压力峰值的位置和大小等信息也无法从上述采场复合应力拱特点分析得到，这些未考虑的因素需要通过数值模拟方法进行分析研究。

敬老院煤矿4#煤厚度平均为3.3m，煤层为近水平煤层(平均倾角为2°)。实验测试数目表明：4#煤层单轴抗拉强度、单轴抗压强度和粘结强度分别为1.40MPa、10.51MPa和 8.61MPa，煤层弹性模量为4.28GPa，泊松比为0.33，内摩擦角为30.4°。本次数值模拟采用FLAC3D软件为工具，所选用模型的走向长度、倾向长度和高度分别为200m、400m和120m，模型共划分为58000个三维单元。计算模型模拟工作面长度分别为130m、180m、220m时，开挖过程中选取常用的摩尔-库伦准则，从一侧开挖，每一工作面长度都依次推进10m、30m、60m、90m、120m。通过以上步骤，模拟工作面充分采动后应力场特征。

3.2 数值模型结果分析

工作面长度分别为130m、180m、220m时在不同推进距离时支承压力分布模拟结果如图 3—5所示。 由图3—5可知，不同工作面长度情况下，随着工作面推进距离增加，工作面的围岩应力场将发生变化，随着采煤工作面推进距离逐渐增加，在其前方依次形成三个区，即：低压区、高压区和原始应区；同时随着采煤工作面长度的递增，工作面前方的支承压力影响范围、峰值位置和大小均有所不同。当采煤工作面长度为130m时，支承压力的峰值位于其前方13m处，应力峰值为6.7MPa(工作面推进90m)，如图3所示。当采煤工作面长度增加到180m时，支承压力峰值位置处于煤壁前方8m处，应力峰值为7.5MPa(工作面推进60m)，如图4所示。当工作面长度增加至220m时，支承压力峰值位置位于煤壁前方8m，其峰值大小为8.5MPa(工作面推进50m)，如图5所示。可见，随着采面长度的递增，其前方支承压力的影响范围会变大，其峰值位置也将愈加靠近采面煤壁，同时应力峰值也会增大。此后，当工作面长度继续增加时，压力的峰值位置将略有变化。当采面长度增至220m后，支承压力的峰值基本上趋于恒定不变。

图3 工作面长度为130m时在不同推进距离时支承压力分布

图4 工作面长度为180m时在不同推进距离时支承压力分布

图5 工作面长度为220m时在不同推进距离时支承压力分布

同时可以发现，随着采面推进距离的递增，其前方支承压力的影响范围也逐步前移，支承压力峰值也呈现对数规律增加。实际上当顶板出现老顶来压后，围岩应力得到释放，支承压力峰值发生突然降低，然后随着工作面推进而继续增大，其变化周期应和老顶来压周期步调一致[8-9]。不同长度工作面沿工作面长度方向的支承压力峰值分布如图6所示，从图6可以看出，首先不同长度的工作面推进50m时，支承压力峰值在采面长度方向呈现明显的拱形分布；其次，采面越长，压力拱高度越大，这就意味着支承压力峰值与采面长度正相关，与至工作面中线距离负相关，这与上述压力拱规律一致；最后，在工作面两端，支承压力降低幅度显著加大，且随着采面长度增加，压力拱扁平率(跨度)趋于增大，压力峰值高于煤单轴抗压强度区段所占比例显著增大。

图6 不同长度工作面沿工作面长度方向的支承压力峰值分布

4 井下现场实测

4.1 采煤工作面长度对上覆岩层跨落步距的影响

通过对敬老院煤矿Ⅳ-2煤8422(工作面长为130m)、8406(工作面长度为219m)工作面矿压显现规律实测发现，顶底板岩层结构、力学性质与强度、采高(3.3m)、支架结构形式与技术参数均相同时，采煤工作面长度和工作面不同相对位置均会对采场矿压显现造成影响。

Ⅳ-2煤8422(工作面长为130m)和8406(工作面长度为219m)工作面来压步距实测数据见表1。从表1中可以看出，8422工作面(长度130m)初次来压步距为48.5～60.0m，平均周期来压步距为16.0～20.0m；8406工作面(长度219m)初次来压步距为30.9～42.0m，平均周期来压步距为10.0～15.0m。可见，随着工作面长度增加，来压步距整体减小，说明加长工作面后，煤壁被压碎的程度增大，因而块煤率相对增高，这与前面公式(1)的表达含义及其分析情况是一致的。

表1 不同工作面长度来压步距实测数据

从表1还可以看出，8422工作面(长度130m)周期来压步距为16.0～20.0m，顶板周期性来压在工作面长度方向变化范围较小；8406工作面周期来压步距为10.0～15.0 m，再结合井下若干测站的测试数据可以推测，随着采面长度增大，井下采煤工作面顶板活动频率有增加趋势。

4.2 采煤工作面来压期间矿压显现规律

Ⅳ-2煤8422(工作面长为130m)和8406(工作面长度为219m)工作面来压期间不同位置矿压分布情况见表2，Ⅳ-2煤8422(工作面长为130m)和8406(工作面长度为219m)工作面不同位置的矿压载荷分布曲线如图7所示。由表2和图7可以看出：

图7 工作面长度为130m和219m时矿压分布曲线

表2 不同长度工作面矿压分布

1)支架受载最大(Pmax)位置在工作面中部，机尾位置次之，机头位置最小(略小于机尾位置)。对于平均载荷(Pm)而言，8406工作面(长度为219m)的中部载荷为8422工作面(长度为130m)的中部载荷的1.04倍，下部和上部分别为1.02和1.0倍。根据前面对采煤工作面复合应力拱特点的分析及式(1)的特点可知，工作面长度不超过240m时，其上方压力拱高度与工作面长度关系为二次多项式函数关系。因此Ⅳ-2煤8406(工作面长度为219m)的压力拱高度较8422(工作面长为130m)工作面的压力拱高度要大，导致在同样工作面相对位置前者支架受载较大。

2)8406(工作面长度为219m)工作面和8422(工作面长为130m)的支架载荷(包括Pmax和Pm)与工作面位置均近似呈现二次抛物线曲线，如图7所示。观测数据表明：工作面支架载荷沿着工作面方向呈现为拱形分布，且工作面中点为其对称轴。这表明，存在平行于采面的上覆岩层冒落拱，其尺寸与采面长度正相关。因而，采煤工作面支架选型时应该考虑到，工作面长度越长时，工作面矿压显现就越强烈，故其所需要的支架工作阻力就应该越大。而由于采面中部所受载荷大于工作面上下两端，所以在确定采煤工作面支架的工作阻力时，应该以工作面中部载荷(最大载荷)为选择依据，而工作面两端的支架工作阻力可以适当减小[10-14]。

5 结 论

1)工作面支承压力的影响范围、支承压力峰值以及压力拱扁平率与工作面长度正相关，来压步距整体上与工作面长度负相关。采煤工作面长度超过220m后，支承压力的峰值基本上趋于稳定。随着工作面长度正增加，煤壁被压碎的程度增大，因而块煤率相对增高。

2)工作面支架载荷沿着工作面方向呈现为拱形分布，且工作面中点为其对称轴。冒落拱尺寸与工作面长度正相关。采煤工作面支架的工作阻力的确定应该以工作面中部载荷(最大载荷)为选择依据，而工作面两端的支架工作阻力可以适当减小。