房柱采空区下长壁综采覆岩活动规律和支架承载研究

宋要斌 郭 巍 赵志云 赵利鼎

(吕梁学院矿业工程系，山西省吕梁市，033000)

★ 煤炭科技·开拓与开采★

房柱采空区下长壁综采覆岩活动规律和支架承载研究

宋要斌 郭 巍 赵志云 赵利鼎

(吕梁学院矿业工程系，山西省吕梁市，033000)

为研究房柱采空区下近距离煤层长壁采场覆岩活动规律和支架合理选型，采用数值模拟和理论分析方法，建立房柱采空区下综采采场煤岩体力学模型，得到采场覆岩垮落特征、应力场分布和支架合理支护强度，结合大进龙沟矿生产技术条件，提出合理支架型号和围岩控制措施。研究表明，受煤房、煤柱尺寸影响，断裂步距和失稳方式发生变化；垂直应力分布及峰值点大小、位置与遗留煤柱分布特征相关，呈现非均布状态；支架支护强度为1.31 MPa时，选择ZFY12500/25/39D型综采液压支架，工作面安全性较好。

房柱式采空区 数值模拟 覆岩活动 应力场分布 合理支架选型

房柱式采煤法具有布置灵活、支护简单和设备投资少的优点，曾广泛应用于浅埋深煤层和不规则煤层开采。房柱采空区内未垮落顶板和煤柱的稳定性对下部工作面矿压显现有重大影响，研究表明，煤柱的应力影响深度达到20 m，集中系数达到1.3。受下部近距离煤层开采影响，遗留煤柱出现剪切破坏，上部基本顶破断、运动释放大量能量作用于下煤层工作面。

大进龙沟矿2-3煤层稳定性差，为局部可采的中厚煤层，无法布置规则长壁工作面，已采用房柱式开采完毕。井田内3-2煤层位于2-3煤层下方，为该矿主采煤层，布置的3301和3302工作面位于2-3煤层房柱采空区下方，面临较大的开采风险。本文采用数值模拟方法，分析不同顶板结构下部煤层开采采场覆岩活动规律和应力场分布，为工作面支护强度的确定和围岩控制指导提供依据。

1 采场模型的建立

1.1 模型的建立

采用UDEC模拟软件建立采场模型，确定模型尺寸为70 m×130 m(高×长)，其中长度方向边界各留20 m煤柱，工作面实际推进长度90 m。模型采用摩尔—库伦准则，节理采用节理面接触—库伦滑移准则。

根据工作面的实际赋存条件，模型边界条件如下：在模型上边界施加均布载荷q=1.005 MPa；模型下部边界为固定—铰支座；x方向为固定—铰支座。

1.2 模拟方案

为分析2-3煤层房柱式开采对3-2煤层影响，提出以下模拟方案：(1)2-3煤层整层开采；(2)2-3煤层房柱式开采，煤房8 m、煤柱8 m；(3)2-3煤层房柱式开采，煤房6 m、煤柱6 m，如图1所示。

根据UDEC模型的特点以及该矿生产实际(综采工作面每天完成12个生产循环，循环进尺为0.8 m，共推进9.6 m，取10 m)，确定开挖步距为5 m，共推进90 m。

2 结果分析

2.1 采场顶板活动特征

按照模拟方案完成2-3煤层回采，平衡后开挖3-2煤层，得到如下采场顶板活动特征。

图1 模拟方案

图2 模拟方案1的3-2煤层开采采场顶板活动

模拟方案1的3-2煤层开采采场顶板活动情况如图2所示。由图2可知，2-3煤层整层回采后，3-2煤层工作面自开切眼推进32 m，粉砂岩顶板大幅离层下沉，发生垮落破坏；推进45 m时，基本顶初次破断后发生滑落失稳，3-2煤层开采影响通过岩层传递至2-3煤层；推进53 m时，基本顶发生周期性破断，工作面顶板破坏范围向上扩展与2-3煤层采空区沟通，2-3煤层基本顶活化发生大面积下沉回转，同时影响下部煤层顶板运移。

模拟方案2的3-2煤层开采采场顶板活动情况如图3所示。由图3可知，2-3煤层房柱式开采后在采空区遗留宽度8 m的煤柱，当3-2煤层工作面推进35 m时，粉砂岩直接顶板垮落失稳；推进50 m时，基本顶破断后滑落失稳，破断位置位于残留煤柱下方，失稳方式为滑落失稳；推进60 m时，基本顶周期性破断发生回转失稳，此时破断位于残留煤柱间采空区下方。由此可见，房柱采空区影响基本顶运动方式和来压步距，作用于支架矿压显现和围岩控制。

图3 模拟方案2的3-2煤层开采采场顶板活动

图4 模拟方案3的3-2煤层开采采场顶板活动

模拟方案3的3-2煤层开采采场顶板活动情况如图4所示。由图4可知，房柱采空区遗留6 m煤柱，工作面推进35 m时粉砂岩直接顶垮落；推进47 m时，工作面位于煤柱下方，基本顶初次破断后滑落失稳；推进到55 m时，工作面位于煤柱间采空区下方，基本顶周期破断后发生回转失稳。房柱式中煤柱和煤柱间采空区对下部煤层开采影响不同，煤柱下方基本顶易滑落失稳，煤柱间采空区下方基本顶发生回转失稳。

综合图2、图3和图4可知，煤柱采空区下工作面矿压显现明显不同于长壁采空区下开采，初次来压和周期来压步距变大。房柱采空区下开采基本顶破断受遗留煤柱影响，出现滑落失稳和回转失稳，工作面液压支架受冲击影响，可能出现载荷急剧增大现象。

2.2 应力场分布

不同方案的浅埋深煤层开采应力场分布如图5所示。0 m测线表示工作面超前支承压力的分布情况，煤层上方25 m的测线表示2-3煤层底板内的应力分布情况。由图5可知，采场不同层位应力分布差异较大。由图5(a)可以看出，距3-2煤层顶板较近的0 m、1.5 m测线测点垂直应力从煤壁向前方增大，到达峰值后减小趋于原岩应力，分布规律基本一致；靠近2-3采空区的8 m、19 m和25 m测线测点垂直应力分布及峰值点大小、位置与遗留煤柱分布特征相关，呈现W型分布规律；残留煤柱密度越大，支承压力的波动越频繁。

图5 浅埋煤层开采应力场分布

由图5(b)可以看出，在2-3煤层长壁采空区下开采时，煤层上方0 m、1.5 m、8 m和19 m测线采场垂直应力分布一致，应力峰值范围为5～8 MPa，峰值点距工作面约10 m；25 m测线受2-3煤层采空区影响明显，垂直应力峰值和峰值点距离分别为23 MPa和12 m。在2-3煤层房柱采空区下(煤房8 m、煤柱8 m)开采时，垂直应力在进入煤柱时逐渐减小处于低应力，在出煤柱时应力急剧增大并达到峰值2.8 MPa。由图5(c)可以看出，在2-3煤层房柱采空区下(煤房6 m、煤柱6 m)开采时，垂直应力变化与煤柱位置呈现相关，峰值为2.5 MPa，且峰值点与工作面距离变小。

由图5可知，房柱采空区下开采工作面过煤柱时应力急剧增大并达到峰值，采场应力传递至工作面，表征为工作面压力急剧增大，部分应力以能量形式释放，引起工作面压架等强矿压显现。因此，基于顶板岩层破断结构和应力分布特征，工作面支护强度及支架选型应以平衡顶板载荷为目的。

3 工作面支护强度确定及支架选型

由数值模拟分析可知，基本顶岩层结构及稳定性是决定工作面矿压显现和支架强度的关键，基本顶岩块周期滑落失稳结构模型如图6所示，工作面顶板关键岩块B、C形成了短砌体梁结构，滑落失稳时工作面处于危险状态。

图6 基本顶岩块周期滑落失稳结构模型

图7 关键块平衡受力图

关键岩块的结构力学模型分析如图7所示。关键岩块的水平推力计算过程如下：

w=M-(Kp-1)∑h

(1)

式中：w——关键岩块回转后的下沉量，m；

M——工作面采高，m；

Kp——直接顶的碎胀系数；

∑h——直接顶厚度，取7.44 m。

对关键块B取∑MA=0可得：

(2)

式中：T——关键岩块的水平推力，kN；

h——关键块厚度，m；

a——岩块端角挤压接触面高度，m；

φ——岩块间摩擦角， °；

l——基本顶周期来压步距，m；

Q1——B、C块上覆传递载荷，kN。

得到：

(3)

根据岩块回转的几何关系，岩块端角挤压接触面高度近似为：

(4)

式中：θ——岩块回转角， °。

由图7可知，岩块达到最大回转角时有：

(5)

式中：θmax——岩块最大回转角， °。

将式(3)、式(4)代入式(5)得到关键岩块的水平推力为：

(6)

式中：i——断裂岩块的块度，取0.52；

tanφ——岩块间摩擦系数，取0.36。

关键岩块不发生滑落失稳在煤壁出所需的支撑力：

(7)

式中：RA——关键岩块不发生滑落失稳在煤壁处所需的支撑力，kN。

当θ=θmax时，有：

(8)

将相关值代入式(8)可得：

RA≥0.64Q1

(9)

3.1 关键块上载荷的确定

关键岩块上的载荷包括：关键岩块自身的重量及其上岩层和土层传递到关键岩块的重量，即：

Q1=Qzg+Qsh=hlchρg+kGh1lchρ1g

(10)

式中：Qzg——关键岩块上自身的重量，kN；

Qsh——关键岩块之上岩层和土层传递重量，kN；

lch——断裂岩块长度，即基本顶周期来压步距，取11 m；

h——断裂岩块厚度，即基本顶厚度，取5.76 m；

h1——岩层载荷与土层载荷层厚度，岩层载荷层厚度69.6 m，土层载荷厚度为4.2 m；

ρg——关键岩块体积力，取25 kN/m3；

ρ1——岩层载荷层体积力，取25 kN/m3；土层载荷层体积力，20 kN/m3；

kG——载荷层传递系数，与载荷层性质、断裂角有关。

根据太沙基压力计算原理，可得载荷传递系数kG：

kG=krkt

(11)

式中：kr——与老顶岩块长度及载荷层岩性有关的载荷传递岩性因子；

kt——载荷传递的时间因子，在长时间状态下kt取=1。

(12)

式中：h——载荷层厚度，取73.8 m；

λ——载荷层侧压系数，λ=1-sinφ。

则式(12)可转化为：

(13)

将各数值代入式(13)，得kG=0.187。

将相关参数代入式(10)可得Q1为5850 kN，并代入式(9)得RA为3765 kN。

3.2 工作面支架合理支护强度

支架合理支护强度为直接顶重量和关键岩块传递载荷之和与控顶距的比值，即：

(14)

式中：Qzh——直接顶重量，kN；

Lk——控顶距长度，m，取值范围为4.68～5.48 m。

将相关值代入式(14)，可得工作面支架合理的支护强度为p=0.82～0.93 MPa。应力集中系数取1.35，则房柱采空区下工作面合理的支护强度p房柱为1.15～1.31 MPa。

取支护强度1.31 MPa，选择ZFY12500/25/39D型综采液压支架。为确保3-2煤层安全高效回采，结合上述研究结果，同时提出以下控制措施：释放遗留煤柱应力，采取爆破、水压松动煤柱；控制工作面推进速度，适当加快推进和停采让压；提高采场顶板支撑能力，房柱采空区地面钻孔注浆、注砂和下部工作面适当降低采高等。

4 结论

(1)房柱采空区下长壁综采，基本顶受煤房、煤柱尺寸影响断裂步距和失稳方式发生变化，煤柱宽度越大，来压步距越大；煤柱下方基本顶易滑落失稳，煤柱间采空区下方基本顶发生回转失稳。

(2)垂直应力分布及峰值点大小、位置与遗留煤柱分布特征相关，在进入煤柱时逐渐减小处于低应力，在出煤柱时应力急剧增大并达到峰值，呈现非均布状态。

(3)建立房柱采空区下长壁综采顶板力学模型，得到支架合理支护强度，进行支架合理选型。

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Researchonmovementpatternandsupportloadinginfullymechanizedlongwallminingfacebeneathgobofroom-pillarmining

Song Yaobin, Guo Wei, Zhao Zhiyun, Zhao Liding

(Department of Mining Engineering, Lvliang University, Lvliang, Shanxi 033000, China)

In order to study the law of overlying rock strata and the reasonable selection of suport for longwall mining field of close distance coal seams beneath gobs of room-pillar mining, the numerical simulation and theoretical analysis method were used to establish the coal mechanics model, and the characteristics of the overlying rock strata collapse, the stress field distribution and the reasonable support strength were obtained. The reasonable support model and surrounding rock control measures were put forward according to the technical production conditions of the Dajinlonggou Mine. The results showed that the step size and the failure mode were changed by the size of coal room and coal pillar. The vertical stress distribution, the peak point size and position were related to the distribution characteristics of remaining coal pillars, and the non-uniform status was presented. When the support strength was 1.31 MPa, the ZFY12500/25/39D fully mechanized hydraulic support was selected and the production safety of work face was improved.

gob of room-pillar mining, numerical simulation, overlying rock strata movement, stress field distribution, reasonable support selection

宋要斌，郭巍，赵志云等. 房柱采空区下长壁综采覆岩活动规律和支架承载研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(12)：91-95.

Song Yaobin, Guo Wei, Zhao Zhiyun, et al. Research on movement pattern and support loading in fully mechanized longwall mining face beneath gob of room-pillar mining [J]. China Coal，2017,43(12)：91-95.

TD325

A

宋要斌(1967-)，男，山西文水人，讲师，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。

(责任编辑 陶 赛)