综放工作面停采线位置确定研究

2019-03-11张龙飞

山东煤炭科技 2019年2期

张龙飞

（山西石泉煤业有限责任公司，山西长治 046000）

综放工作面由于顶板为煤层，在矿山压力作用下，顶板破碎，维护困难。实践证明，停采线位置选择不合理，会导致顶板下沉严重，造成通风困难，给回撤工作带来极大的安全隐患[1-2]。通过UDEC2D数值模拟软件分析停采线处于不同位置时回撤通道内应力分布情况，进而确定综采面合理停采线位置，以实现综采设备安全、高效地回撤[3]。

1 数值模拟设计

工作面来压是基本顶断裂回转的过程，其变形是一种给定变形，其下面的直接顶、顶煤及支架必须适应基本顶的运动状态[4、5]。因此，综放工作面回撤通道处于基本顶断裂线以内与断裂线以外时，顶煤的变形破坏状况及支架的工作状态将是不同的，对支架的安全顺利撤架有着不同的影响。为此，通过UDEC2D数值模拟分析，对以上两种情况进行实验比较，以便给出定量、直观全面的分析。

1.1 模拟实验内容

（1）工作面停采线处于周期来压期间，顶板垮落对支架及顶煤稳定性的影响。

（2）工作面停采线处于周期来压之外，顶板垮落对支架及顶煤稳定性的影响。

（3）取上述两者矿山压力显现较小者进一步分析停采线的合理位置。

1.2 模型设计

模拟埋深120m，煤层厚度6m，采高3m，模块划分为1×1，直接顶厚度3m，模块划分为1.5×2，基本顶厚6m，模块划分为6×10，边界条件，左、右、下边界为固定边界，上边界为自由边界。为保证模拟结果准确，停采线所处位置已经过多次周期来压之后，周期来压步距L设置为10m，模型如图1所示。

图1 数值模拟走向模型

2 模拟分析

2.1 停采线处于周期来压期间

工作面停采线位置处于周期来压期间时，基本顶沿破断线处发生破断，带动直接顶板与顶煤发生破断，最终导致基本顶的断裂线和直接顶、顶煤的破断线相互贯通。随着基本顶的回转角增大，基本顶同直接顶、顶煤沿工作面煤壁切落，此时支架受力、顶煤下沉量与煤壁片帮程度急剧增加。支架上方顶煤、直接顶板及基本顶整体切断使支架承受上部全部岩块重量，后侧立柱阻力明显大于前侧立柱，后立柱的活柱缩量也远大于前柱，支架前梁呈抬头工作状态。顶煤最大下沉量达到700mm，最大片帮量达到500mm。这种情况下极易造成支架被压死，增加支架回撤的难度。如图2所示。

图2 矿山压力显现特征

2.2 停采线处于周期来压期之外

工作面停采线位置处于周期来压之外时，工作面支护空间位于基本顶来压之后，此时工作面前方基本顶断裂线尚未形成，基本顶处于相对最为稳定的时期, 其下的直接顶和顶煤也处在最为稳定的状态，支架前后立柱所受载荷与活柱下缩量相差不大，上方直接顶最大下沉量仅为120mm，最大片帮量为100mm。如图3所示。

2.3 周期来压之外停采线位置确定

通过以上模拟分析可知，停采线处于周期来压之外相较于处于周期来压期间时，支架受力与下沉量较为一致，顶板下沉量及煤壁片帮程度较小，但具体停采线处于周期来压之外哪个位置时，基本顶对回撤通道的影响最小，尚需进一步模拟分析。模拟设计方案为停采线处于周期来压之外2m、3m、4m、6m、7m与8m，结果如表1所示。

图3 矿山压力显现特征

表1 矿山压力显现特征

停采线处于周期来压之外不同距离时，支架所受载荷、顶煤下沉量与煤壁片帮量有如下特点：

（1）停采线在周期来压之外0～4m与7～10m范围内时，支架前后立柱所受载荷较大，后立柱所受载荷明显大于前立柱；而停采线在周期来压之外4～7m范围内时，前后立柱受力较小且比较一致。

（2）支架所受载荷、顶板下沉量与煤壁片帮量在停采线在周期来压之外4～7m范围内相较于停采线在周期来压之外0～4m与7～10m范围内时，明显下降。

停采线位置位于周期来压之外4～7m范围内时，即相当于(0.4～0.7)个周期来压的距离，顶板限制了基本顶的回转，基本顶不发生破断，能够发挥自身承载作用，矿山压力显现不明显，从而对支架与顶煤的影响较小。

3 工程实践

30101综放工作面是石泉煤矿首采工作面，煤层均厚6.1m，工作面走向长度1050m，工作面长度200m，初次来压步距24.2m，周期来压步距平均14.3m。当工作面推进距停采线18m时，工作面周期来压，支架所受载荷急剧增加，顶板冒顶，煤壁片帮严重，最深处达到1000mm。按目前设计的停采线，停采之前还会发生一次周期来压，虽能保证停采线处于周期来压之外，但不是最佳位置，根据模拟结果，现将停采线位置向前延长2～3m，使停采线位置处于(0.4～0.7)周期来压之外范围内。新的停采线位置的确定，保证了回撤通道整体稳定性，为工作面实现安全、快速回撤提供了技术保障。