近距离厚煤层综采工作面安全开采技术研究∗

付 净年 军2

（1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林省吉林市，132022；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省沈阳市，113122）

近距离厚煤层综采工作面安全开采技术研究∗

付 净1年 军2

（1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林省吉林市，132022；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁省沈阳市，113122）

为了对木瓜矿近距离煤层下采场矿压规律进行研究，对木瓜矿10-209综采工作面进行了矿压监测，结合FLAC3D软件进行数值模拟，得出近距离煤层下10-209综采工作面矿压规律；提出采煤工作面安全开采的措施及设备选型。实践表明，通过工作面矿压、煤壁片帮监测与FLAC3D数值模拟技术的有效结合，能够模拟采场矿压的真实情况。

近距离煤层 综采工作面 围岩应力 矿压显现 压力分布规律

以具有近距离厚煤层典型条件的山西霍州煤电集团木瓜煤矿10-209综采工作面为例，通过矿压监测、FLAC3D数值模拟和煤壁片帮监测手段，对近距离厚煤层条件的安全开采进行研究，为相似条件下煤壁片帮控制及工作面设备选型提供理论依据。

1　工作面概况

10-209工作面开采10#煤层，工作面位于9 -101、9-201、9-205采空区下部，其东翼为辅助运输巷，北侧为10-208采空区。10-209工作面所在煤层厚度平均为3.5 m。该工作面直接顶为泥岩，厚度为0.2～2.1 m；老顶为细粒砂岩，厚度1.6～9.13 m；直接底为泥岩，厚度3.3 m；老底为粉砂岩，厚度为2.3 m。工作面倾向长度为939 m，走向长度为200 m，煤层倾角为5°～10°，采用倾斜长臂采煤方法开采。

2　工作面矿压显现规律分析

2.1 观测方案

为研究10-209工作面矿压显现规律，在工作面的5架支架上设置工作阻力监测站，分别布设在工作面12#、34#、56#、68#及82#支架上，在矿压监测时间段内，每个测站分别在支架左右立柱高压腔安装1台支架工作阻力测力仪，编号分别为1、2、3、4、5，测力仪能显示和记录支架左右立柱工作压力。测区布置及仪器布设如图1所示，箭头方向为推进方向。

图1　工作面测区布置及仪器布设示意图

全部观测工作在工作面推进约85 m内完成，包含约6个老顶周期来压的顶板运动阶段。现场观测时间为2015年5月5日-5月21日，共计17 d，达到了观测目的和要求。

2.2 支架阻力显现规律

10-209工作面监测站顶板来压时各支架实测工作阻力变化见表1，数据显示来压前和来压时支架的平均工作阻力分别为6283 k N和7175 k N，平均动载系数为1.14，综采工作面来压周期较明显。通过数据显示，所测试支架动载系数为1.10～1.25，动载均匀。来压前和来压时的范围分别是4127～7225 k N和5471～7854 k N，说明支架工作阻力分布比较均匀。

2.3 矿压显现模拟

2.3.1 几何模型建立

为了更好地反映木瓜煤矿10-209工作面矿压规律，通过FLAC3D软件进行动态回采三维数值模拟，几何模型根据工作面实际布置情况构建，其模型尺寸为500 m×200 m×100 m（长×宽×高），构建模型参数为煤层厚度3.5 m，底板厚度4 m，砂岩顶板厚度6.88 m，2条回采巷道。模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底部限制竖向位移，模型上边界模拟地表为位移自由边界。计算所采用的物理力学参数见表2。

表1　10-209工作面监测站支架顶板来压时工作阻力变化

表2　工作面物理力学参数

2.3.2 工作面矿压数值模拟分析

通过FLAC3D软件对10-209工作面的应力分布进行数值模拟。分别对10-209工作面推进方向前10 m、前20 m、后10 m及后20 m的垂直应力进行数值模拟，并且模拟了工作面走向剖面工作面的集中应力。

模拟结果表明工作面推进方向后10 m与后20 m顶板应力相差不大，范围在2 MPa以下；工作面推进方向前10 m处为应力集中区域，应力达到12 MPa，工作面推进方向前20 m处应力值减少为9 MPa左右。

由于10-209工作面位于9-101、9-201、9 -205采空区下部，10-209回采工作面所在10#煤层与9#煤层层间距为2.84～13 m，最小为2.84 m。9#煤层开采以后，采空区残留煤柱产生的集中压力在10#煤层开采围岩形成复杂的应力场，对下煤层工作面巷道布置和支护方式有很大影响，同时也会造成10#煤层工作面顶板管理困难，矿压显现异常，严重的可能引发上煤层采空区内水、沙、瓦斯等涌入下煤层工作面，造成突水、瓦斯瞬间超限等问题。通过数值模拟和现场实际情况分析，10-209工作面在推进过程中，受上部基本顶铰接平衡结构失稳和本煤层基本顶达到抗拉极限发生周期性断裂的双重影响，造成工作面局部应力集中程度高，局部顶板冒落频繁。上部基本顶失稳来压影响程度主要由基本顶与煤层间距离决定，基本顶与开采煤层距离增加，上部关键层失稳对工作面来压影响程度会逐步减弱。通过模拟可知，在上部采空区与10-209工作面层间距最薄区域，垂直应力集中在10-209工作面中部，说明工作面中部顶板岩石冒落充分，工作面推进一定距离，工作面后方采空区上覆岩层逐渐下沉压实，支承应力分布形态呈拱形。

在工作面推进方向前方10～20 m处，应力分布形态成拱形结构，顶板内部围岩应力较大，开采过程中易产生变形甚至会发生部分破碎情况。经模拟可知，该工作面顶板应力集中区为工作面推进方向前方5～12 m范围内，应力峰值在工作面前方6 m处附近，达到14 MPa，应力集中系数达到1.57。

应用FLAC3D软件对10-209工作面岩体塑性区分布进行了数值模拟。模拟结果显示由于受上部采空区和周围巷道的影响，10-209工作面在开采进行约10 m时，直接顶便产生较大范围的塑性区（塑性区是指发生塑性变形即屈服的区域），应力释放明显，说明发生垮落现象；随着不断开采，塑性区不断扩大，开采至24 m时塑性区贯通老顶，应力释放完全，大部分老顶岩石初次垮落，至35 m时老顶第二次垮落，通过数值模拟分析判断老顶初次垮落步距为24 m，其周期来压步距为11 m。

3　煤壁片帮监测与分析

为了更好地反映10-209工作面矿压情况，对其工作面煤壁片帮情况进行监测，工作面推进过程中，片帮现象时有发生，尤其是在工作面来压期间，煤壁片帮明显多于平时。统计数据显示工作面的中上部是煤壁片帮主要区域，与采高、顶板来压影响有关。

通过对矿压显现规律监测、FLAC3D软件模拟及煤壁片帮监测，分析出10-209工作面煤壁片帮主要原因：

（1）由于10-209工作面为厚煤层开采，采高较大，导致推至煤岩松软带和断层影响带时，受构造应力影响煤岩体破坏较严重，进而发生煤壁片帮。

（2）由于是近距离煤层开采，当工作面推进后，上覆岩层断裂运动使围岩内应力重新分布，当前方支承压力增大时，煤壁片帮深度也就越深，同时片帮深度随着采高的增大而加深。

（3）煤壁暴露时间延长也会导致煤壁片帮深度增大，尤其是停产时比生产时要高数倍。

（4）工作面煤壁片帮与顶板来压有关。无论是初次来压还是周期来压，都会引起煤壁片帮的加深，这是因为顶板来压前，煤岩体中应力集中程度达到最高，在高集中应力的作用下，煤壁迅速发生塑性变形直至破坏。

4　安全开采控制措施与设备选型

近距离厚煤层工作面开采最突出的安全问题就是工作面煤壁片帮问题，因为大采高工作面煤壁片帮比相同地质条件下采高较小时要严重的多，因此防止工作面煤壁片帮对大采高工作面有重要的意义。

4.1 煤壁片帮的控制措施

根据木瓜煤矿煤层特点，对10-209工作面采取煤壁片帮控制措施。

（1）通过数值模拟技术判断煤岩破碎带和来压周期，根据来压周期适当加固煤壁，提高其整体强度。根据现场环境适当选用木锚杆锚固煤壁或化学固化方法加固煤岩等方法。

（2）提高液压支架的初撑力和工作阻力，以便维护顶板的完整性和提高自承能力，避免因冒顶而发生煤壁片帮现象。

（3）加快工作面推进速度，以减少煤壁暴露时间。并可对顶梁端部结构进行改进，加装防片帮板。使用护帮板并靠紧煤壁，减少煤壁片帮。

4.2 安全开采设备选型

通过数据监测及数值模拟分析，并对10-209工作面工艺装备进行了分析及计算，得出采煤机装机功率为1049 k W，刮板输送机生产能力为1630 t/h，电动机功率为1942 k W，液压支架阻力为6977～8036 k N。

当前10-209工作面主要使用的设备见表3。将10-209工作面承载能力的计算数据与现有设备能力对比可知，目前10-209工作面所用的综采设备如采煤机、刮板输送机，转载机、破碎机、可伸缩带式输送机、乳化液泵站无论是从生产能力，还是功率，都可以满足10-209工作面的安全开采。

表3　工作面主要设备一览表

5　结论

（1）通过对10-209工作面进行矿压监测，得到了工作面顶板运动规律及其矿压显现特点。得出工作面老顶周期来压步距13.2～16.1 m，平均14.35 m；工作面顶板属中等稳定顶板。

（2）分析了10-209工作面煤壁片帮因素，根据近距离煤层开采支承压力特点，提出加强煤壁、改进顶梁技术等措施。对10-209工作面现有工艺装备进行了分析及验算，得出现有设备完全能够满足安全开采的需要。

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（责任编辑 张毅玲）

Study on safety mining technology for fully mechanized faces in close and thick coal seams

Fu Jing1，Nian Jun2
（1.Jilin Institute of Chemical Technology，School of Resources and Environmental Engineering，Jilin，Jilin 132022，China；2.CCTEG Shenyang Research Institute，Shenyang，Liaoning 113122，China）

In order to study the strata behavior regularity of lower mining stope in close coal seams of Mugua Mine，the mine pressures of 10-209 fully mechanized face in Mugua Mine were monitored，and combined with numerical simulation by FLAC3D software，the strata behaviors regularity of lower 10-209 fully mechanized face in close coal seams was achieved；meanwhile the measures and equipment selection for safety mining in mining face were put forward.The practice showed that the combination of mine pressures and rib spalling monitoring and FLAC3D numerical simulation technology could simulate the actual circumstances of the mining stope pressure.

close coal seams，fully mechanized face，surrounding rock stress，strata behaviors，pressure distribution regularity

TD823

A

辽宁省自然科学基金面上项目（2015020605）

付净（1984-），女，吉林省吉林市人，讲师，硕士，2009年毕业于东北大学，主要从事安全工程技术、安全监测与评价方面的研究。