7～9 m急倾斜厚煤层Z型通风工作面的矿压显现规律

董长吉， 翟永胜

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室，哈尔滨 150022;2.北京昊华能源股份有限公司 长沟峪煤矿，北京 102451)

随着煤矿开采强度的不断增大，许多矿区赋存条件“优越”的煤层储量越来越少，致使矿区内部分矿井的开采对象不得不由条件相对“优越”的煤层转向复杂的急倾斜煤层。急倾斜煤层的主要开采方法有倒台阶采煤法、柔性掩护支架采煤法、俯伪斜分段密集采煤法、巷道放顶煤采煤法和水平分段放顶煤采煤法[1]。由于该类煤层成煤过程复杂以及煤层赋存独特，开采方法选择具有一定的局限性[2－4]。煤层大于10 m、赋存变化不大的煤层，采用水平分段放顶煤采煤方法，取得了较好的应用效果[5－6]。水平分段放顶煤开采方法，具有安全性高、资源回收率高、工序组织简单、工作面作业条件好和工人劳动强度低等特点[7]。目前，我国7～9 m急倾斜厚煤层赋存较多，但开采难度较大，缺乏开采经验[8－9]。针对该类煤层特点，长沟峪煤矿工作面采用Z型通风、整体组合悬移支架支护顶板及水平分段放顶煤开采的方法。该采煤方法实施的关键是进风巷道掘进位置、回风巷道的留设方法和分段高度的确定，而顶板压力及其变化是影响进风巷道掘进、回风巷道留设与工作面支护稳定的主要因素。笔者结合该采煤方法巷道布置特点，沿工作面走向与倾斜方向对煤层顶板压力变化情况进行分析，找出采煤工作面矿压显现特点，以此提高进风巷道与回风巷道的稳定性，发挥支架的优势，有效地控制顶板，为煤矿安全高效生产提供可靠的数据，同时为该类煤层开采方法研究提供参考。

1 工作面概况与开采方法

北京昊华能源股份有限公司长沟峪煤矿15槽开采块段煤层平均厚度为7 m，平均倾角为55°，煤层走向长60 m，采用Z型通风水平分段放顶煤采煤方法。工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置Fig.1 Working face layout

由图1所示，工作面沿垂直煤层走向直线水平布置，沿煤层走向推进，采用七组整体组合悬移支架支护顶板，单一支架有效支护面积为2.600 m×0.960 m=2.496 m2。随着工作面回采，沿煤层底板留设回风巷道，以构成工作面Z型全风压通风系统。

2 测点布置与数据分析

2.1 测点布置

沿煤层顶板掘进运输巷道，至开切眼位置后安装工作面支架，与联络巷道构成通风系统。随着工作面不断推进，沿煤层底板留回风巷道。由于工作面采用分段放顶煤工艺，致使回风巷道受采动影响较大，而回风巷道的稳定性至关重要，故在运输巷道、工作面和回风巷道均布置测点，观测压力变化情况。测点布置方法如图2所示。

图2 测点布置Fig.2 Arrangement of measuring place

2.2 数据分析

研究煤层较厚，煤层开采对顶底板压力变化影响较大。工作面回采初期，由于推进距离较短，底板侧向回风巷道压力变化无实际意义，故而选择回采中期压力数据进行分析。运输巷道、工作面和回风巷道压力曲线如图3所示。

图3 巷道与工作面压力曲线Fig.3 Pressure curves for airway and working face

根据压力曲线可知，运输巷道近工作面约10 m范围内顶板压力变化较大，说明受采动影响较大，而10 m以外压力趋于稳定。由于矿山压力作用，顶煤基本松散，降低了其对煤层顶板的支撑作用，故运输巷道压力主要来源煤层顶板;工作面支架压力较稳定，主要来源于上部煤层压力。回风巷道因采用沿空留巷工艺及柔性掩护支架支护，受采动影响范围较运输巷道小。

3 数值模拟

3.1 数值模型

采用COMSOL Multiphysics软件对Z型通风工作面进行数值模拟，煤层及顶底板相关参数见表1。

表1 煤层及顶底板参数Table 1 Parameters of coal seam and roof and floor

利用COMSOL软件自带的建模工具建立几何模型，进行网格划分。选用三角形网格，并对梯形巷道周围进行细化处理。模型及网格分布见图4。

图4 模型与网络划分Fig.4 Model schematic plot and grid layout plan

3.2 结果分析

模型两侧及下端为固定约束，根据矿压观测结果进行加载。运输巷道、回风巷道与工作面支架应力云图及应力等值线如图6、7所示。

图5 巷道应力云图Fig.5 Tunnel stress nephogram

图6 巷道应力等值线Fig.6 Tunnel stress contour

由图5、6可以看出，煤层底板侧回风巷道压力较大，距离工作面8 m且靠近煤层底板处为应力增高区域;煤层顶板侧巷道应力集中范围为工作面上方近顶板侧6 m;位于工作面上方11 m处顶板垮断，与实际开采情况相符合;距离工作面上方14 m范围煤层受应力作用较为松散，可放性较好。

4 结论

采用现场观测与数值模拟方法研究7～9 m急倾斜厚煤层Z型通风工作面的矿压显现规律，得到如下结论:

(1)运输巷道受采动影响较回风巷道大，在工作面回采推进过程中应对运输巷道与回采巷道距离工作面12 m范围进行加强支护。

(2)由于煤层倾角较大，回风巷道压力主要来自煤层底板，压力集中范围应为工作面上方6 m。

(3)距离工作面上方0～14 m范围煤层较松散，可放性较好，故分段放煤高度取14 m，能够有效提高回采效率。

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