千米深井大采高综放工作面垮落带高度研究

王永佳 刘建伟 宋选民

(太原理工大学采煤工艺研究所，山西省太原市，030024)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

千米深井大采高综放工作面垮落带高度研究

王永佳 刘建伟 宋选民

(太原理工大学采煤工艺研究所，山西省太原市，030024)

利用FLAC 3D数值模拟软件，综合考虑深埋煤层综放开采条件下采高和埋深对垮落带高度的影响，计算得出采高和埋深的单因素和双因素回归分析方程。通过对比分析，回归方程比传统经验公式更加适用，且回归方程所得结果与实际垮落带高度十分接近，对深部综放工作面的安全生产有着一定实际应用价值。

千米深井 综放开采 垮落带高度 数值模拟 回归分析

采场上覆岩层的运动规律一直都是采矿研究的重点问题。近年来，随着采掘设备的发展，煤矿开采有着不断向深部发展的趋势，越来越多的超千米深井开始投入使用。为了研究不同条件下采场覆岩的运动规律，康红普等通过UDEC数值模拟软件研究了不同支护条件下超千米深井巷道围岩变形特征；刘德乾等通过相似模拟实验研究了深埋煤层矿压显现规律及其控制；刘海胜等通过理论分析和相似模拟研究了大采高工作面的上覆岩层结构特征；李化敏、弓培林等通过现场实测和数值模拟研究了大采高工作面矿压和上覆岩层的运动规律；张宏伟等通过理论分析与数值模拟等方法，结合实例研究分析了不同条件下垮落带与裂隙带高度的确定。本文针对潞安集团姚家山矿的特殊情况，通过FLAC 3D数值模拟软件，建立数值分析模型，结合现场实例分析研究了深埋煤层综放工作面埋深和采高对垮落带高度的影响，并计算得出采高和埋深对垮落带高度的单因素和双因素回归方程。

1 理论计算

长期以来，我国针对垮落带高度的研究以现场实测为主，通过大量的观测数据，在《三下采煤规程》中给出了适用于普采和分层综采条件下的垮落带高度经验公式，中硬覆岩条件下的经验公式为：

(1)

式中：HM——垮落带高度，m；

M——采厚，m。

综放开采已经是我国开采厚煤层的主要方式之一，根据大量现场实测数据，放顶煤工作面的垮落带高度与一次采全高相比，差异较大，一般不能使用上述经验公式计算垮落带高度，同时工作面埋深的变化也会对垮落带高度造成影响，随着工作面埋深的增加，垮落带的高度也应该随之增加。但是经验公式并没有考虑工作面埋深的增加对垮落带高度的影响，也没有考虑综放工作面开采时的垮落带高度变化，这将使深部大采高综放工作面的垮落带高度计算产生误差。因此，本文针对潞安姚家山矿千米深井的特殊条件，使用数值模拟的方法对不同采高、不同埋深的采场覆岩垮落带高度进行数值分析研究。

2 数值模拟研究

2.1 建立数值模型

潞安集团姚家山矿22106综放工作面埋深约为1000 m，煤层平均厚度7.99 m，采用低位开天窗综采放顶煤技术。工作面采厚为4 m，顶煤厚3.99 m，煤层倾角平均为3°。直接顶为5.3 m厚泥岩，老顶为4.1 m厚中砂岩，直接底为5.2 m厚石灰岩，老底为3.8 m厚细砂岩。主要力学参数见表1。

表1 岩层主要力学参数

依据姚家山矿实际地质情况，根据需求，将采厚分别取为6.00 m、7.99 m、9.00 m，工作面埋深分别取800 m、1000 m、1200 m，由此，共设计了9 种模拟方案，如表2所示。

表2 数值模拟设计方案

运用FLAC 3D数值模拟软件，依照姚家山矿实际地质情况建立三维数值模型，根据不同的模型设计方案，分别建立长×宽×高为200 m×400 m×62.5 m、200 m×400 m×64.6 m和200 m×400 m×65.5 m的三维模型，依据埋深不同施加不同的边界条件和地应力进行数值模拟。

2.2 结果分析

依照模拟方案进行数值模拟，并在工作面中点处垂直工作面取模型剖面图，显示塑性破坏区，不同条件下的塑性区分布如图1、图2、图3所示。

对照图1、图2、图3的塑性破坏区，根据垮落带的力学特性可知，顶板发生断裂垮落时，应发生拉伸破坏，即图中同时发生剪切破坏和拉伸破坏的区域即为垮落带区域。由图1可以看出，当采厚不变时，顶板拉伸破坏区随埋深的增加而增大，顶板垮落带高度也随埋深增加而增加。由图2和图3可以看出，当埋深不变时，随着采厚的增加，顶板的垮落带高度也随之增加，不同条件下垮落带高度具体数据见表3。

图1 不同埋深采厚6 m时塑性破坏区

图2 不同埋深采厚7.99 m时塑性破坏区

图3 不同埋深采厚9 m时塑性破坏区

方案采厚/m埋深/km垮落带高度/m123456789666799799799999081012081012081012225247317283308352312326368

2.2.1 采厚与垮落带高度关系

由表3可以看出，埋深不变时，随着采厚的增加，垮落带的高度也在增加。采厚为6 m时，垮落带高度为22.5～31.7 m，取平均值27.1 m；采厚为7.99 m时，垮落带高度为28.3 ～35.2 m，取平均值31.75 m；采厚为9 m时，垮落带高度为31.2～36.8 m，取平均值34.0 m。对不同采厚的垮落带高度做指数拟合：

HM=17.19e0.0761M

(2)

相关系数R2为0.9988，说明二者显著相关，顶板垮落带高度随采厚增大而呈指数变化。

2.2.2 埋深与垮落带高度关系

由表3还可以看出，采厚不变时，随埋深的增加，垮落带高度也随之增加。埋深为800 m时，垮落带高度为22.5～31.2 m，取平均值26.35 m；埋深为1000 m时，垮落带高度为24.7～32.6 m，取平均值29.65 m；埋深为1200 m时，垮落带高度为31.7～36.8 m，取平均值34.25 m。对不同埋深的垮落带高度做指数拟合：

HM=16.191e0.6086d

(3)

式中：d——煤层埋深，km。

相关系数R2为0.9323，说明二者显著相关，顶板垮落带高度随埋深增大而呈指数变化。

2.2.3 采高、埋深与垮落带高度的关系

对表3中9组数据进行多元回归分析，最后得到埋深、采厚与覆岩垮落带高度的关系：

HM=-6.32+2.44M+18.08d

(4)

复相关系数R2为0.9276，说明顶板垮落带高度与煤层采厚和埋深显著相关。

对式(4)进行显著性检验，显著性统计量为0.00016，远小于显著性水平0.05，所以该回归分析方程效果显著。对式(2)和式(3)进行显著性检验，其显著性统计量分别为0.00033和0.000383，远小于显著性水平0.05，所以采厚和埋深均与垮落带高度相关，采高变化对垮落带高度的影响较大，埋深次之。

2.3 模拟结果与经验公式比较

为了检验模拟结果的误差大小，表4列出了不同采高下传统经验公式与式(2)所计算的垮落带高度对比。

表4 传统经验公式与回归方程计算垮落带高度对比

通过表4可以看出，传统经验公式与回归方程(2)所计算的结果相差较大，采厚为6 m时，经验公式与回归方程计算的垮落带带高度相差53.17%；采厚为7.99 m时，误差增至55.26%；采厚为9 m时，误差最大，为56.95%。可见，传统经验公式计算的结果误差较大，不适用于综放工作面的垮落带高度计算，且随着采厚的增加，误差也在逐渐增大。

3 现场实例分析

钻孔返水计量法是观测垮落带高度的常用方法，其基本原理是利用钻孔单位时间内的漏水量作为观测指标，正常条件下，钻孔单位时间返水量应基本保持不变，当钻孔返水量突然降低或不返水时，则说明钻孔已探至垮落带位置。

为检验本文所得出回归方程的准确性，结合实际地质情况，利用钻孔返水计量法对姚家山22106工作面及其邻近工作面的垮落带高度进行观测，并与式(4)所计算的结果进行对比，整理结果如表5所示。

表5 垮落带高度对比分析

由表5可知，对姚家山22106工作面、22104工作面和22110工作面实际观测所得的垮落带数值与传统经验公式相比相差较大，与回归分析方程所得结果相比十分接近，误差很小，进一步验证了该回归方程的准确性。

4 结论

以姚家山矿千米深井的地质条件为背景，进行数值模拟，得出综放条件下采厚和埋深对上覆岩层垮落带高度的影响，并得到回归分析方程。通过与传统经验公式的对比和现场实例的分析，验证了所得回归方程的适用性，主要结论如下：

(1)通过数值模拟的方法，对不同采厚和埋深条件下煤层顶板垮落带高度进行研究，并对模拟结果整理分析，得到关于垮落带高度的回归分析方程。

(2)利用钻孔返水计量法对姚家山22106及其附近工作面垮落带高度进行实际观测，观测结果与回归分析方程所计算结果十分接近，误差较小，证明该公式在姚家山及相似矿井具有一定的适用性。

运用此公式可以对深埋煤层综放开采条件下的垮落带高度进行预测，可以帮助确定突出矿井保护层的位置、邻近层瓦斯抽放施工以及计算工作面支架的工作阻力，为支架选型提供依据，保障煤矿安全高效生产。

[1] 康红普,范明建,高富强等. 超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术[J]. 岩石力学与工程学报,2015(11)

[2] 刘德乾,姜振泉,冯海英等. 深埋煤层开采覆岩压力变化的相似材料试验研究[J]. 矿业研究与开发,2010(1)

[3] 刘海胜. 浅埋煤层大采高工作面矿压规律与覆岩结构研究[J]. 煤炭科学技术,2016(S2)

[4] 李化敏,张群磊,刘闯等. 特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征分析[J]. 煤炭科学技术,2017(1)

[5] 弓培林,靳钟铭. 大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J]. 煤炭学报,2004(1)

[6] 张宏伟,朱志洁,霍利杰等. 特厚煤层综放开采覆岩破坏高度[J]. 煤炭学报,2014(5)

[7] 付玉平,宋选民,邢平伟. 浅埋煤层大采高超长工作面垮落带高度的研究[J]. 采矿与安全工程学报,2010(2)

[8] 孙晓倩,姜振泉,王宗胜等. 浅埋煤层分层开采“两带”高度预测[J]. 矿业研究与开发,2015(2)

Studyonheightofcavingzoneatfullymechanizedcavingfacewithlargeminingheightinthousand-meterdeepshaft

Wang Yongjia, Liu Jianwei, Song Xuanmin

(Research Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

By using numerical simulation software FLAC 3D and considering overall the influence of mining height and buried depth on the height of caving zone in the conditions of full-mechanized caving mining in deep seam, the single-factor and double-factor regression analysis equations were calculated. The contrastive analysis results showed that the regression equations were more applicable than the traditional experience formula, and the height of caving zone calculated by the regression formulas were closer to the field measurement, which had a certain practical application value to safety production of deep fully mechanized caving face.

thousand-meter deep shaft, fully mechanized caving mining, height of caving zone, numerical simulation, regression analysis

国家科技支撑计划项目(2007BAK29B02)

王永佳，刘建伟，宋选民. 千米深井大采高综放工作面垮落带高度研究[J]. 中国煤炭，2017,43(12)：63-67.

Wang Yongjia, Liu Jianwei, Song Xuanmin. Study on height of caving zone at fully mechanized caving face with large mining height in thousand-meter deep shaft[J]. China Coal, 2017, 43(12):63-67.

TD 322

A

王永佳(1992-)，男，山西长治人，太原理工大学采煤工艺研究所在读硕士，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。

(责任编辑 郭东芝)