谢桥矿大采高工作面超前支撑压力分布规律

朱 丹，张 帆

（1.江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌 330000；2.中鼎国际矿山隧道建设分公司，中国 南昌 330000）

现阶段我国能源结构仍以煤炭为主，在煤炭生产总量中缓倾斜厚煤层占40%以上。大采高综采已经成为厚煤层综采的主要发展方向之一。查明大采高综采面超前支撑压力的分布规律对掌握大采高矿压显现规律，优化支护参数，防治煤壁片帮冒顶，确保工作面正常安全回采具有十分重要的现实意义。

1 工作面地质概况

淮南矿业集团谢桥煤矿1311（3）工作面位于-610m水平东二采区，工作面标高-408.1m～-463.4m。该工作面走向长度1150m，倾斜长221.3m。该面煤层总体稳定，局部地段有煤厚变薄现象。根据上、下顺槽实见煤厚点及钻孔资料，煤层总厚为2.90～6.50m，平均5.32m。煤层顶底板岩性情况见图1。

2 数值模拟实验方案

2.1 模型的建立

根据工程地质条件建立1311（3）大采高综采工作面三维数值计算模型（见图2）。由于研究的重点在于回采进行时采场的超前支撑压力，为提高计算速度，在工作面长度方向考虑500m，并将采场设在边界100m 外以减小边界效应的影响。模型长×宽×高=500m×420m×150m，工作面推进方向沿y轴正方向。模型底部控制z方向位移，四周约束水平位移，将上覆岩层自重换算成均布载荷加载到模型顶部。

图1 1311（3）工作面综合柱状

图2 模型斜视

2.2 力学参数的选取

本例采用近似理想弹塑性模型，破坏准则选用Mohr-Coulomb准则，各岩层具体力学参数见表1。

表1 岩石力学性质参数选取

2.3 数值模拟方案

由于1311（3）工作煤层起伏较大，最薄处不足3m，最厚处达到6.5m，因此本文拟建立6个模型，煤层的厚度取值分别为1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m 及6.5m。然后根据工作面推进方式分步模拟开挖，分别获得不同采高时工作面推进一定距离后的超前支撑压力分布情况，并在计算过程中提取数据（见图3、图4）。

图3 不同采高下超前支撑压力峰值

图4 不同采高下超前支撑压力峰值作用范围

3 数值模拟结果分析

由图3和图4可知，工作面超前支撑压力与采高呈如下关系：随着采高增大，超前支撑压力峰值不断减小，且曲线呈"凸"抛物线型，减小趋势明显；但峰值作用范围增大，在采高为6.5m 时，峰值作用范围接近采高为1.5m 时的2倍。由下经验公式可知：

采高的增大导致两带高度变大〔2〕，煤体所需支撑的覆岩重量其实是增加了的。但是由于煤体强度相对较弱，在高应力作用下，煤体发生破坏，且应力越大，破坏范围越大，煤体以发生破坏的方式“缓解”应力峰值，这也是大采高工作煤体易发生片帮的原因所在。因此大采高工作面确定采高时煤体强度也是需要考虑的因素之一。合理选择采高也是控制煤壁发生片帮冒顶的一种方法。

4 结语

通过数值模拟的方法分析了不同采高情况下1311（3）工作面超前支撑压力的分布规律，即随着采高增大，超前支撑压力的峰值变小，但其作用范围增大。并且给出了峰值大小及作用范围随采高的变化曲线。峰值的作用范围增大，是导致大采高工作煤壁片帮的重要原因之一。根据本文的分析结果，并综合考虑现场煤机最小通过高度及支架最大支撑高度，最终确定工作面最低采高不小于3.2m，煤层增厚处最大采高不得大于4.8m，最小采高不小于4.4m。初放期间采高控制在3.6～4.0m。工作面自2011年9月回采至今，没有发生工作面大面积片帮和端面冒顶等现象，实现了矿井的安全高效生产，并为本矿其他类似条件的大采高工作面开采提供了宝贵经验。

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