综放开采与分层开采冲击地压防治数值模拟对比研究

吴子科,陶三宝（.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037; . 中煤科工集团南京设计研究院有限公司,南京 003）

综放开采与分层开采冲击地压防治数值模拟对比研究

吴子科1,陶三宝2
（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037; 2. 中煤科工集团南京设计研究院有限公司,南京 210031）

摘 要：通过利用数值模拟软件RFPA，从客观上将深部较厚煤层的分层分采工作，与放顶煤开采工作进行仔细的研究和对比，主要是在支承压力充分分部动态过程和能量释放特征两个方面进行对比，并搜集相关资料与数据，对综放开采、分层开采冲击低压的特征进行深入的研究。另外，在与具体的工程相互结合后，提出了一些比较有效的方法，对工作面开采的战略性防治意义较大。在大量的实践后，发现比较适用于有冲击危险可能性较深的厚煤层当中。为此，在今后的开采工作中，应将放顶煤开采作为主要的手段来进行，同时，还要在具体的开采工作中，结合一系列的战术防治或者是局部地段的特殊防治，形成一整套、有体系的方法，从而完善深部厚煤层冲击地压的防治体系。

关键词：冲击地压；数值模拟；综放开采；分层开采

0 引言

冲击地压在现阶段的工作中，是岩石力学比较重要的难题，从现阶段的研究来看，很多研究人员，都对冲击地压开展了深入的研究，无论是在理论研究上还是在实践的工作中，包括强度理论、刚度理论等等，每一个部分在实际的应用中，都取得了较为突出的成绩。

姜耀东[4]总结了我国煤矿冲击地压灾害发生的特点，分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系和区别，建立了煤矿冲击地压的3 种力学模型: 材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。

王存文[5]则从构造形成机制的角度分析构造区的应力环境，并运用矿山压力理论、数值模拟等探讨断层、褶皱、相变诱发冲击地压的机理。

本文利用RFPΑ数值模拟软件分别对综放开采和分层开采进行了对比模拟分析，结合工程应用，完善深部厚煤层冲击地压防治体系。

1 综放开采与分层开采的数值模拟分析

3107工作面是某煤矿东翼一采区3层煤综采放顶煤工作面，倾斜宽81m，走向长度1015m。该工作面北120m为正在回采的3111工作面，3111工作面采用分层开采方法。

1.1 模型的建立

本次模拟计算分为两大部分：第一部分，3107工作面，在综放开采的过程中，采场推进方向上，其应力分部与声发射分布特征模拟计算，这部分计算结果必须精确化进行。第二部分，3111工作面分层开开采的过程中，采场推进方向上，应力以及声发射分布的特征模拟计算。二者的计算都是以模拟计算为主，并结合实际情况来研究开采方法的不同顶板应力及省发生的分布情况。

图1 计算力学模型图

将采场的纵剖面作为具体的计算区域，在计算过程中，采用应用平面应变模型，了解计算的变化和内容的加深。从模型选取的角度来说，模型的左边界、右边界、下边界，采用固定约束，促使煤层只能在垂直应力方面受到顶部岩层自重的作用。另一方面，岩层力学参数，主要是假定符合韦伯分部的条件，之后再按照各个分层来进行相应的赋值工作。在本次计算过程中，岩层破裂主要采用的是库伦——莫尔强度准则来进行判断，具体的计算模型见图1。

在计算模拟当中，采场的采深设定为800米，模型的具体形状为长方形，长度达到了300米，高度被设定为100米，水平方向为300个单元，垂直方向设定为100个单元，共计是3万个单元。另一方面，为了保证计算的精确和符合实际工作，每一个单元，其所代表的煤岩层数值，设定在1.0米。之后，我们主要是根据RFPΑ软件所具有的功能和特点，进行相关的数值模拟工作。在模型的加载过程方面，主要选择的上部岩层的自重加载，在客观工作上，还要对煤岩层进行相关的简化，主要简化的内容是改变煤岩层的自身容量，减小厚度。

1.2 数值模拟分析

通过数值模拟分析研究，3107工作面采用综采放顶煤开采方法，3111工作面采用分层开采方法，3107工作面与3111工作面的声发射分布、对巨厚砾岩层顶板影响、垂直应力集中程度对比如图2—7所示。

图2 放顶煤开采推采10m的发射分布

图3 分层开采推采10m的发射分布

图4 放顶煤开采推采110m对顶板影响

图5 分层开采推采110m对顶板影响图

对比图2和3、图4和6、图6和7可知：

（1）在实际的工作中，当采用放顶煤开采时，煤壁前方支承压力影响范围比分层开采影响范围大。但是，在测算后，发现支承压力的峰值却是比较小的。同时，峰值在具体的出现位置上，超过了在前煤壁的距离，超出的范畴比较大。所以，在具体的开采工作中，运用放顶煤的开采方法，对减少煤层冲击地压的发生，具有较大的积极意义。

（2）综采放顶煤在开采的过程当中，能量的释放范围是非常大的，但在释放过程中，并不是一次性释放的，而是呈现出一种缓和释放的状态。对于分层开采而言，能量释放的范围相对较小，但是释放的能量量级是非常大的，在释放过程中，表现出了非常剧烈的情况，很容易导致冲击地压的出现，这是非常危险的。

（3）在实际的工作中，通过利用综采放顶煤的开采方法，工作面的推进速度在一定程度上有所减慢，这就有利于进行顶板垮落和能量的释放，对于操作人员的安全来讲，是非常重要的。同时，在大量的研究和应用后，发现因关键层的运动而产生的矿震可能性，大大的减小，实现了安全化生产。

（4）综采放顶煤的开采工作，在集中程度方面，要比分层开采的更小一些。在实际的工作中，倘若运用分层开采工作，煤壁前方弹性压力能够在很大程度上实现较为集中的状态，因而在发生冲击地压的概率上，也是比较高的。所以，在现实工作中，并不建议应用分层开采工作。

图6 放顶煤开采推采40m采垂直应力集中程度图

图7 分层开采推采40m垂直应力集中程度图

1.3 实测工作面走向支承压力及位移移近量对比分析

根据工程实测，3107工作面和3111工作面的位移移近量、应力变化实测结果如图8、9、10、11所示。

图8 3107综放面轨道顺槽巷道移近量图

图9 3111综采面轨道顺槽巷道移近量图

图10 3107综放面轨道顺槽支承压力分布图

图11 3111综采面轨道顺槽支承压力分布图

根据3107综放工作面以及3111分层综采工作面的相关数据得知，二者在工作面轨道顺槽巷道围岩变形量、支承压力分部规律等方面的对比中，具有较大的差异。因此，提出了一些具体的工作面开采前的战略性防治的办法：在现实工作中，对于具有冲击危险可能性深厚部的煤层开采工作，其开采方法，应首先选择放顶煤开采。

1.4 工作面危险区域的确定

在本次研究工作中，3107工作面采用的是放顶煤开采的相关技术来进行回采工作的，因此在内力场的影响上，其范围要比分层开采更大一些。经过实际的调查和研究，发现在实际的综放开采工作面当中，工作面轨道巷道发生冲击地压的具体区域之中，能够结合较多的数据和实用的技术，对煤层是否应用放顶煤进行开采，进行一个较为全面的判断。从客观的角度来说，现有的开采条件，基本上能够满足放顶煤的开采标准，从技术的角度来看，侧向支撑压力的高峰地区，多数情况下，距离煤壁大概是有25米左右。另外，在内应力场的影响范围上，主要是徘徊在10米左右。在支撑压力的影响范围内，主要是徘徊在45米左右，其影响的范围，则集中在70米--80米之间，具体见图12。

图12 综放开采侧向支承压力分布状态

通过与3111工作面的详细对比和分析，认为利用综放开采侧向支承压力的相关分部规律，能够较好的确定工作面侧向支承压力明显影响的区域，基本上就可以确定为是可能发生冲击地压的危险区域。从得到的结果来看，该高应力的区域，可以初步的判定为，能够发生冲击地压的危险区域，因此需要作为重点区域来对待。另一方面，高应力的区域，在大量的测量和计算后，上下顺槽超前煤壁前方大概0米—40米的区域当中，应该存在40米宽的范畴；工作面上下部各10m范围内冲击地压危险区域如图13所示，图中阴影部分为深部厚煤层综放采场冲击地压危险区域。

图13 3107工作面危险区域示意图

2 冲击地压防治

2.1 开采过程中战术性防治

（1）在3107的工作面初级开采阶段中，支承压力的形态，主要表现为高峰位置在煤壁边缘的单调下调曲线，该曲线能够在实际上反映出较多的内容，为操作和开采人员，提供较多的参考和指导。另一方面，在本面支承的压力当中，上下面的侧向支承压力，会在煤体的内部形成一种较强的叠加状态。值得注意的是，叠加区域距上下侧采空边缘的10m—0.45m范围内，需要采取一些特殊的措施，例如爆破等等，以此来破坏工作面的煤壁形态，之后通过人为工作，制造出10m以上的缓冲地带，以此来更好的保证工作面，不会出现破坏性的冲击地压。

（2）在工作面初次的来压工作中，支承压力将会表现出重新分布的特点，这就给操作造成了很多的压力。例如，在动态过程中，比较容易形成局部的较高应力作用，所以必须要特别注意。本文认为，在初压的工作期间，工作人员应进行有效的顶板动态监测工作，以此来获得更多的数据和资料。值得注意的是，采取放慢的推进速度和形成范在10米以上的缓冲带，该缓冲带能够在客观上，较好的组织冲击地压的出现，为日常工作提供较多的安全保障。

（3）在工作面的正常推进当中，我们还是要在很多的方面进行注意，绝对不能出现任何丝毫的差错。结合以往的工作经验和当下的工作标准，倘若是范围较大的内应力场，则能够在客观上，对工作面的冲击地压起到较强的缓冲作用，以此来维护操作的安全。但是，我们在周期的来压期间，还是要采取针对性的顶板动态监测工作，与客观工作和主观诉求相结合，实施有效的解决危机的措施。

从以上的分析来看，工作面在日常的开采工作中，煤壁前方大概10米的地区，存在缓冲带，并且是一直都存在的，该区域必须得到有效的保障。同时，在未来的工作中，我们还需要积极的结合顶板的放慢推进速度的相关措施，避免破坏性的冲击地压出现，实现日常开采工作的稳步进行。

2.2 局部特殊地段防治

顺槽冲击地压的最危险区域为老顶断裂、应力发生变化的区域，采用顶板动态法，判定该区域的范围，并采取预先解危措施，可实现顺槽在初放期间的安全。对该区域采取“监测—解危—监测”的动态防治措施，同时按冲击能量释放规律，放缓推采速度（按3.0m/天考虑），通过采取调斜工作面等措施，轨道顺槽超前运输顺槽13～15m，使冲击能量在空间上分区域得到释放，实现对冲击地压的控制。

3 结语

利用RFPΑ分别对分层开采和放顶煤开采进行了对比模拟分析，结合工作面实际开采情况，得出了以下结论：当采用放顶煤开采方法时，煤壁前方支承压力分布范围比分层开采时分布范围广，能量释放范围增大，说明放顶煤开采对采场围岩系统的扰动程度比分层开采时扰动程度大，有利于集中应力的释放；煤壁前方支承压力峰值较分层开采时峰值较小，峰值出现的位置距离煤壁的距离超前于分层开采时的距离。

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作者简介：吴子科（1982-），男，山东济宁人，硕士，工程师，主要从事：煤矿安全的研究与评价工作。