综放开采不同采放比的采场矿压特征

王金安 高治国 王 利 刘 腾

(北京科技大学土木与环境工程学院)

近年来，随着综采放顶煤技术的不断提高与进步，综采放顶煤成为我国煤炭行业实现矿井高效高产的主要方式之一。成功地进行综放开采的重要标志是能对采场及巷道围岩进行有效控制，所以安全、经济和最大限度地提高回采率成为一个非常重要的问题。国内学者和技术专家对综放开采的顶煤动移规律、覆岩运动及破坏、矿压显现等问题开展了大量的现场实测和理论分析研究，取得了较丰富的科研成果。然而对不同采放比下的覆岩结构破坏方式、周期来压强度变化、支撑压力分布规律等缺乏统一有效的综合分析，单一的工况研究难以反映和揭示综放采场在最优回采率下的围岩应力分布本质。可见，针对不同采放比下的矿压显现规律进行研究，不仅具有重要的理论价值，而且具有推广应用价值。

1 计算模型与计算参数

计算模型长1 000 m，模拟深度550 m，煤层埋深420 m，煤层厚30 m，属于特厚煤层，顶板以薄层状砂质泥岩、泥岩为主，局部为粉砂岩及炭质泥岩，水平层理发育，底板为10 m厚的细砂岩质地坚硬。所模拟工作面属于华亭煤田，华亭煤田位于华北地层区的西南缘，属陕甘宁盆地盆缘地层分区平凉—永寿地层的北部。其总的特征与华北地层区相似，缺失上奥陶统、志留系、泥盆系和石炭系地层。本区地层从老到新有蓟县系、寒武系、奥陶系中下系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系下统、上第三系和第四系等，煤层分布在侏罗系延安组。岩石基本力学参数采用华亭实测钻孔综合数据，见表1;岩层节理基本力学参数见表2。模型块体的本构关系采用摩尔－库伦准则，节理面的本构模型采用面接触的库伦滑移模型，距左边界处150 m开切眼，放煤工艺为一采一放。

按照不同采放比进行工况划分。工况1:在煤层上部采3 m，不放顶，采放比为1∶0。工况2:在煤层上部采3 m放3 m，采放比为1∶1。工况3:在煤层上部采3 m放4.5 m，采放比为1∶1.5。工况4:在煤层上部采3 m放6 m，采放比为1∶2。工况5:在煤层上部采3 m放7.5 m，采放比为1∶2.5。工况6:在煤层上部采3 m放9 m，采放比为1∶3。工况7:在煤层上部采3 m放12 m，采放比为1∶4。

表1 岩石基本力学参数

表2 岩层节理基本力学参数

2 综放工作面煤层力学场特征

在工作面前方布置3条监测线，监测线位置如图1所示，沿采空区前方的顶板、正前方、底板布置，监测在不同工况下煤层内的应力变化。研究在相同推进距离情况下，不同采放比对支撑压力峰值大小及峰值距工作面距离的影响。

图1 煤层内监测线分布

计算结果表明，工作面前方的支撑压力峰值随采放比的提高而逐渐减小，存在着呈反比的规律。由图2可见，在工作面推进100 m时，随着采放比的提高，支撑压力峰值由14 MPa逐渐降低到11.7 MPa。由图3可见，在工作面推进300 m时，随着采放比的提高，峰值距工作面的距离由15 m逐渐提高到42 m，可见峰值距工作面的距离与采放比有着呈正比的规律。

图2 支承压力峰值与采放比的关系

图3 峰值距工作面距离与采放比关系

3 采场覆岩裂隙场、垮落带分析

研究矿压与采放比的关系前，要先深入剖析采场的覆岩变化规律、破坏规律、运动规律，覆岩的运动是引发矿压的根本原因。因此对采场的塑性场、裂隙场进行深入分析和探讨，研究不同采放比对两场的影响规律。小采放比裂隙带分布特点见图4，大采放比裂隙带分布特点见图5，采放比与裂隙场关系见图6。小采放比垮落带分布形态见图7，大采放比垮落带分布形态见图8，采放比与垮落带关系见图9。

图4 小采放比裂隙带分布特点

计算结果表示，工作面推进200 m时在不同工况下裂隙场分布不同，采放比与裂隙带分布高度呈正比关系。观察图6可知，从工况1到工况5的过程虽然高度不断升高，但是裂隙发育的密度增长速率很慢，但到了工况6，裂隙场发育密度猛然增加，表明采场在采放比在1∶2.5与1∶3的采放比有明显差距，裂隙场存在质的变化，这同时也说明了，工况6和工况7的覆岩运动和矿压显现和工况1～5有着明显差距。同时也符合塑性区垮落带的分析，也与下面的矿压分析的结果相一致。

图5 大采放比裂隙带分布特点

图6 推进200 m采放比与裂隙场关系

图7 小采放比垮落带分布特点

图8 大采放比垮落带分布特点

4 矿压分析

图9 推进200 m采放比与垮落带关系推进200 m

在不同采放比下，工作面回采期间所受到的周期来压大小、来压步距及动载系数均不同，利用回填单元模拟液压支架，在回填单元中布置监测点，监测到了支架工作阻力，在迭代过程中覆岩运动引起的的支架响应具体见表3、图10。

表3 各工况矿压规律对比

图10 工况与支架最大工作阻力关系

综合表3和图10分析，工况1的平均来压步距是29.47 m，工况2的平均来压步距是28 m，发展到工况7平均来压步距是14.2 m，可见随着采放比的增大来压步距逐渐缩小，表明增大采放比提高了周期来压频率。接着分析来压大小。工况1的平均动载系数是1.41，发展到工况7平均动载系数是1.45，可见随着采放比的逐渐增大，支架的周期来压系数越大，周期来压越明显，并且结合最大支架工作阻力，在柱状图中也可发现，工况5的最大来压工作阻力是13 598 kN/架，到了工况7的最大来压工作阻力是14 400 kN/架，相差较大。可见在周期来压剧烈程度上，采放比为1∶2.5与1∶3存在着本质差别，采放比越大，来压频率越高，来压次数越多，来压越剧烈、越明显。

5 结论

(1)在回采期间，工作面前方煤层内的支撑压力随采放比提高而减小，支撑压力峰值点距工作面的距离变长。

(2)根据裂隙场、塑性场、位移场的三场分析，回采长度一致时，采放比越大，裂隙场发育深度越深。采放比越大，垮落带高度越大，这也是动载系数加大的根本原因。采放比越大，位移场冒落带越大，与垮落带情形一致。同时来压频率越大，周期来压步距越小。支架所受的最大工作阻力越大，动载系数越大，来压越猛烈。

(3)不同采放比的工作面稳定性可以分为3级，工况1到工况3为一级，工况4、工况5为二级，工况6、工况7为三级，一级表明回采阶段来压频率低，动载系数小，来压不剧烈。二级表明回采阶段来压频率中等，动载系数中等，来压不明显，工作面总体稳定性较可靠。三级表明来压频率高，来压剧烈，支架所受工作阻力大，工作面安全系数较低。综合分析，在华亭矿区，既经济又安全的最优回采率为1∶2.5。

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