大采高综采工作面上覆岩层移动规律及围岩控制研究

肖学

（山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030053）

大采高综采工作面上覆岩层移动规律及围岩控制研究

肖学

（山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030053）

通过大采高采场的覆岩结构、力学模型、应力分布数值模拟、结合相似材料物理模拟试验等手段，揭示了大采高综采工作面围岩移动变形规律和矿压显现规律，提出了工作面推进过程中顶板管理、煤壁片帮控制等关键技术方案，为支架工作阻力确定及架型选择提供依据，为建成年产1 000万t综采示范工作面奠定技术基础。

综采工作面；上覆岩层；移动规律；围岩控制

1 示范工作面的基本情况

18105 工作面位于斜沟矿964水平11采区回风下山北部，东侧北半部为18103工作面采空区、南半部为实煤区，西为18107采空区，北为集中材料下山。地面标高：+990 m～1185 m，工作面标高+855 m～914m。工作面埋深约300m。煤层总厚5.0m～6.4 m、平均6.0 m，煤层倾角6°～10°、平均8°，可采储量9.755Mt，煤体较硬，f=2～3。工作面长度300m，工作面推进长度3500 m。煤层老顶为10.30 m～18.92m厚灰白色中粗粒砂岩,直接顶为0～1.35 m厚灰黑色泥岩,直接底为0～1.60m厚灰黑色砂质泥岩，老底为8.62m～18.03m厚中细粒砂岩。

2 18105工作面大采高采场应力分布数值模拟

根据斜沟煤矿8号煤层首采区地质概况建立模拟模型，采用FLAC拉格朗日差分快速分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）软件，解析大采高工作面顶板应力分布及变形规律。根据斜沟煤矿煤层及顶底板岩层、现场实际情况、相关资料，确定模型材料的力学参数。模拟结果：经对斜沟煤矿8号煤层工作面前方支承压力、围岩采场结构等分析，得出以下初步结论：（1）支承压力峰值平时距工作面5m左右，来压时减小为2m左右。（2）超前支承压力在工作面推进50 m时出现，最大值为27 MPa。（3）来压时，直接顶下沉量增大。

3 18105工作面大采高采场结构的相似模拟研究

（1）相似模拟实验：研究斜沟煤矿8号煤层开采时的煤岩移动和破坏规律、工作面的矿压显现规律、工作面前方支承压力分布规律等。根据斜沟煤矿提供的首采区钻孔资料、现场钻孔取芯、井下取样测定的各岩层与煤的物理力学参数，开采煤层深度选取8号煤层的平均埋藏深度300 m；试验选用长×宽×高为3 000 mm×200 mm×3 000 mm的大型应变刚性加载试验装置。

（2）经对斜沟煤矿8号煤层大采高模拟试验结果及其分析，得出顶板垮落规律：①工作面推进50 m时，顶板由于悬空距达到一定程度初次垮落，在大采高工作面，垮落后的岩层并不能完全充填采空区。②直接顶的平均垮落角为65°。③工作面推进过程中，直接顶随采随落，基本顶的初次垮落步距为50m。④平均周期来压步距为10.7m，周期来压明显。⑤工作面推进到98 cm时，直接顶厚度相对于煤层而言较薄，随采随冒。⑥工作面推进60 m时，顶板下沉量随工作面继续推进的变化规律：见图1，顶板下沉量随工作面推进距离的增大而增大；且在离工作面较高的岩层，顶板下沉量小于顶板上覆较近层，顶板上覆岩层受采动影响下沉速度变化大。⑦工作面前方支承应力分布规律：图2表示测点纵向应力随工作面推进的变化规律，由图可知，支承压力峰值在工作面前方5m左右。

图1 顶板下沉量随开采推进的变化

4 结论

通过实验室物理相似模拟试验，对斜沟煤矿8号煤层上覆岩层移动规律进行分析研究，得出以下结论：（1）试验条件下，大采高初次来压步距一般为50m左右，周期来压为10m左右。（2）大采高综采采场受超前支承压力影响，煤壁容易发生片帮，应采取控制措施；（3）大采高工作面对支架性能要求高、工作阻力要求大，通过试验得到斜沟矿8号煤层大采高工作面开采所需支架工作阻力应在10 000 kN以上。（4）支架与围岩的作用关系：综合18105工作面大采高的数值模拟、实验室相似模拟、现场实测结果，该工作面支架-围岩关系的支架使用情况评估如下：①18105工作面采用的ZY12000/28/64D架型能满足工作面围岩控制要求。②支架工作阻力达120 00kN，根据正常状态估算，该工作阻力富裕系数较大，据矿压显现观测，仍能满足顶板支护要求，未影响高效生产；如果加强初撑力的管理，支架工作阻力富裕系数还可提高，总之支架的工作阻力设计是合理的。③该套支架的成功使用，证明了按给定载荷设计大采高支架工作阻力的正确性，但必须考虑特定条件下的上覆岩层移动规律。

Overburden Strata Movement law and Surrounding Rock Control on Large-mining-height Fully-mechanized Working Face

XIAO Xue
(Shanxi Xishan Jinxing Energy Co.,Taiyuan Shanxi 030053)

Through numerical simulation of overburden strata structure,mechanical model,and stress distribution,together with physical simulation experiment of similar materials,surrounding rock movement and deformation law and mine pressure behavior law were discovered.The paper presented roof management in the driving process,side-wall control,and other key technology,which could not only provide evidence for working resistance determination and support selection but also lay the technology foundation for the building of10-million-ton demonstration working face.

fully-mechanized working face;overburden strata;movement law;surrounding rock control

TD322

A

1672-5050（2012）11-0053-02

2012-08-09

肖 学（1979—），男，山西晋城人，大学本科，工程师，从事煤炭开采技术管理工作。

图2 支承应力分布简图

刘新光