近浅埋煤层综采工作面矿压显现规律实测研究

2018-09-10贺奎何青松

河南科技 2018年7期

贺奎何青松

摘要：本文针对鄂尔多斯地区典型近浅埋煤层的实际地质情况，在现场矿压实测的基础上，结合理论分析、数值模拟和现场实测研究方法，对近浅埋煤层大采高工作面矿压规律进行研究。研究发现：该近浅埋煤层工作面上覆岩层中存在两个关键层，这两个关键层之间的相互作用对矿山压力显现起到关键作用。近浅埋采场来压历时较短且动载明显，采场周期来压步距和来压强度均呈现非均匀性周期变化。

关键词：近浅埋煤层；综采；矿压显现；数值模拟；双关键层

中图分类号：TD323 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0076-03

Practical Measure Research on Strata-pressure Appearance of

Long-wall Working Face in Near Shallow Seam

HE Kui HE Qingsong

（China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： Aiming at the real geological conditions of the typical near shallow coal seam in Ordos region，the minings pressure behavior and the motion characteristic of its overlying rock strata of the near shallow coal seam with high mining height was studied by means of theoretical analysis， numerical simulation and field monitoring data analysis. This study showed that there were two key-stratas above the longwall working face in typical near shallow coal seam， and the interactions between the two key strata played a major role in the strata behaviors. There are obvious strata behaviors in near shallow face which have shorter duration and violent dynamic loading phenomenon and the periodic caving span and weighting intensity working face have a periodic change.

Keywords： near shallow seam；fully-mechanized mining；strata behavior；numerical simulation；double-key strata

能源安全是國家经济安全的基本支撑，煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的基础产业[1，2]。在中国各省预测地质储量中，仅西部地区新疆、内蒙古、陕西和陕西4省（区）的储量就占全国煤炭资源总储量的79.56%[3]。其中，有相当一部分煤田主要开采距地表较浅的煤层，最典型的是神府和东胜煤田，是我国目前已探明储量最大的煤田[4，5]。

通常情况下，将具有浅埋深、基岩薄和上覆厚松散层赋存特征的煤层称为浅埋煤层[4]。矿压显现规律是综采关键技术的主要组成部分，特别是在浅埋深、大采高条件下，有时矿压显现剧烈、顶板来压强度大[6]，若不加以有效控制，则会严重影响生产的正常进行。因此，掌握近浅埋工作面矿压显现规律，是进行近浅埋煤层顶板控制的基础和安全开采的前提[7-9]。

1 工程概况和关键层判断

本次研究选取鄂尔多斯地区东胜煤田范围内比较有代表性的近浅埋煤层长壁开采矿井，该矿222201工作面为22采区首采工作面，四周及上下煤层尚未开采，工作面埋深为139m，回采长度为1 463m，倾斜长度240m，煤厚6.8m，倾角0°～5°，属近水平煤层，工作面采用ZY11000/28/63D型支撑掩护式支架，综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理顶板。

结合关键层位置判断方法和判断公式进行实例分析，可知第1层岩层及老顶为222201工作面的亚关键层，第3层至第5层组合成的复合岩层为222201工作面的复合主关键层，经计算得出：222201工作面亚关键层的初次破断距为26.4m；主关键层的初次破断距为50.8m。222201工作面覆岩分布及关键层位置见表1。

在一些文献中，关键岩层的周期来压步距常常按照其悬臂式折断来计算[4]，可得出关键岩层的周期破断距大体上相当于其极限破断距的0.41倍。因此，可以通过理论计算预测222201工作面的周期来压情况：工作面周期来压步距为10.8、11.6、10.8、11.6m等，且工作面每隔22.4m，主亚关键层同时破断，将造成工作面出现一次较强的来压显现。

2 工作面来压规律数值模拟

以222201工作面地质条件为背景，通过FLAC3D软件建立三维解析模型，模拟工作面推进过程中来压规律。模型沿走向长200m，沿倾斜宽310m，模型高度为148m，共划分有99 200个单元，共105 903个结点，采用Mohr-Coulomb判断准则。图1为推进期间工作面中部沿走向的塑性图。

从图1可以看出，随着工作面的推进，直接顶悬露的长度会逐渐地增加，顶板的塑性破坏也随之增大。当工作面推进30m时，基本顶在上覆载荷的作用下发生断裂，工作面初次来压。当工作面推过40m后，梁结构变为悬臂式承担上覆岩层的载荷，再次破坏，形成周期来压，垮落矸石充填到采空区。

3 工作面来压显现观测

根据现场实际情况，本次分析选取观测期间支架每循环末阻力平均值加上支架一倍循环末阻力平均值的均方差作为工作面压判据[9-11]。图2为工作面中部支架循环末阻力与其对应的来压判据关系图。工作面具体来压步距情况统计结果见表2。由观测结果可以看出，自工作面生产之日起，到初次来压前，工作面矿压变化不明显，支架载荷较小，顶板活动不剧烈；工作面初次来压期间，支架工作阻力较高、来压持续时间较长，平均初次来压步距为26.0m，工作面中部来压显现（声响、片帮）比较明显；来压期间，部分支架的工作阻力接近甚至超过了额定工作阻力；工作面周期来压步距为9.5～12.1m，周期来压的强度和持续时间要比初次来压小，但来压显现依然很明显。

工作面的来压强度通常用动载系数K来衡量，是评价顶板周期来压剧烈程度的重要指标之一，矿压观测前期历次周期来压时支架载荷及动载系数统计如表3所示。

分析表3可以看出：工作面开采非来压期间支架工作阻力平均值为6 031.43kN，为支架额定工作阻力的54.83%；来压期间支架工作阻力平均值为9 494.04kN，为支架額定工作阻力的86.31%；工作面周期来压时平均最大工作阻力为11 661.59kN，为支架额定工作阻力（11 000kN）的106.01%，但持续时间较短。工作面周期来压动载系数最小值为1.42，最大值为1.67，平均为1.57，数值较大，支架动载明显。现场实测结果也验证了理论计算和数值模拟结果。

4 结论

①根据理论计算得出222201近浅埋煤层工作面上覆基岩中存在两组关键层，亚关键层的初次破断距为26.38m；主关键层的初次破断距为50.84m，且工作面每隔22.38m，主亚关键层同时破断，将造成工作面出现一次较强的来压显现。

②数值模拟结果显示：当工作面推进30m时，工作面发生初次来压；当工作面推进50m时，主关键层梁结构变为悬臂式承担上覆岩层的载荷再次破坏。

③通过现场实测得出222203近浅埋工作面如下矿压规律：初次来压步距25.9m，周期末压步距为10～12m，来压期间动载显现明显，且来压强度和来压步距均存在非均匀性大小周期变化，实测结果与理论计算结果近似，说明研究结果能为现场提供较精确的理论预测结果，用以指导现场生产。

参考文献：

[1]国家煤矿安全监察局.全国煤矿安全状况调查与安全规划研究报告[R].北京：国家煤矿安全监察局，2001.

[2]佚名.能源中长期发展规划纲要草案原则通过[J].中国能源，2004（7）：24.

[3]黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[4]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[5]黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报，2002（8）：1174-1177.

[6]赵光绪，孙中光，郑芳菲.近浅埋煤层大采高综采工作面矿压显现规律研究[J].能源与环保，2017（5）：175-178.

[7]刘江，任艳芳.浅埋深长壁工作面矿压显现规律实测分析[J].煤矿安全，2010（2）：93-96.