大倾角不等长工作面矿压显现特征研究

肖家平

(淮南职业技术学院能源工程系，安徽 淮南 232001)

研究与实践表明，大倾角煤层是国际公认难采煤层[1-2]。大倾角煤层开采矿压显现特征又是煤炭领域基础性研究课题[3-4]，对于复杂条件下煤矿安全高效开采具有重大意义。近年来，受矿井开采地质构造和赋存条件影响，大倾角煤层不规则工作面开采增多。随着煤层倾角的变化，面长由短到长的不规则工作面衔接面前后应力波动较大，覆岩破坏严重。因此，急需对大倾角煤层不规则工作面采动应力演化特征进行研究，并提出矿压控制对策。

国内外学者针对倾斜煤层工作面开采做了大量工作。文献[5]对大倾角煤层的开采工艺进行了系统性研究，为倾斜煤层的开采奠定了基础；文献[6]研究了煤层倾角对倾斜工作面覆岩移动规律的影响，以工作面顶底板不出现相对滑移为基准计算了合理的支架工作阻力；文献[7]利用实验室建立矿井生产模型的手段，对倾斜厚煤层的开采方法进行研究。随着国内外经济技术水平的提高，大倾角煤层开采的理论及技术研究也取得重大的突破，如巷道的布置、采煤工艺选取、支架稳定性控制、采空区治理以及煤矿灾害发生机理及控制等[8-11]。上述对大倾角煤层开采过程中矿压、岩层运移以及开采技术等进行了较为系统的研究。但是，由于煤层赋存条件的差异，各煤矿间的地质条件相差较大。在中国淮南矿区，受断层影响，较多的工作面布置为不规则形状。为保障工作面的正常回采，有必要进行深入的理论研究。

专家学者对不等长工作面矿压显现规律和覆岩运移与应力场的形成做了大量研究。文献[12]定性分析了支承压力在C型采场中的分布特征；文献[13-14]比较分析了三种面长条件下覆岩运移规律和采场应力分布特征，探讨了工作面前方支承压力与水平应力的动态演化过程。综上可知，现有对不等长工作面的研究只是集中在近水平或缓倾斜煤层，而对赋存条件较复杂的大倾角煤层研究鲜有报道。

基于上述分析，本文建立了大倾角不等长综采工作面FLAC3D数值模型，分析大倾角煤层不等长综采工作面对接前后覆岩应力演化特征，提出大倾角煤层不等长综采工作面对接技术。为此类采场的矿压控制提供理论基础，保证工作面的安全高效开采。

1 工程背景

淮南某矿12124大倾角煤层由于受到前方断层影响，工作面布置为面长由小变大的不等长工作面。所采煤层为4#煤层，距4#煤上方平均20m为5#煤层，对接工作面后方223m处为5煤采空区，根据现场巷道安设的煤体应力计以及深孔多点位移计数据显示[15]，不等长综采工作面对接前后没有受到5#煤层采空区的影响。不等长综采工作面短面倾斜长度为90m，走向长度为186m，长面倾斜长度为130m，走向长度为575m，煤层平均厚度为3.8m，倾角为25°～35°，工作面设计如图1所示。工作面采用综合机械化开采，一次采全高，全部垮落发管理顶板，岩层柱状如图2所示。

图1 岩层柱状图

图2 工作面开采平面图

2 数值模型构建

为研究不等长综采工作面采动应力演化规律，采用美国Itasca Consulting Group Inc开发的三维有限差分拉格朗日FLAC3D分析软件。该软件能准确模拟岩土工程与采矿工程等材料在达到强度或屈服极限时发生破坏与塑性流动的力学特征，可分析煤岩材料的渐进破坏和失稳以及大变形问题[16]。

根据煤层的具体地质与工程条件建立160m(走向)×200m (倾向)×210m (高度)的不等长综采工作面模型，模拟4#煤层厚度3.8m，模型四周为法线约束，顶部为应力和位移自由边界，对底部施加水平和垂直约束。采用M-C本构模型，未模拟部分岩层以8.0MPa大小载荷施加在模型顶部。工作面沿Y方向推进，不等长综采工作面几何模型如图3所示，物理力学参数如表1所示，模型共计140 182个单元，147 672个节点。

(a)立体图 (b)工作面布置图图3 数值计算模型

序号岩层密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa粘聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa泊松比 1砂质泥岩2 4243.722.610.68301.740.30 2细砂岩2 80012.488.352.67353.960.20 35#煤层1 4601.720.820.18200.200.41 4砂质泥岩2 4374.202.800.70301.810.35 5细砂岩2 80012.488.352.17353.960.28 6砂质泥岩2 4633.942.600.68300.980.40 7粉砂岩2 5739.005.002.17323.180.32 84#煤层1 4602.120.930.50240.350.39 9砂质泥岩2 6003.512.010.85291.220.33 10粗砂岩2 5498.004.001.68351.310.18 11砂质泥岩2 4434.122.700.72301.770.39

3 模拟结果分析

不等长综采工作面不同推进距离时沿工作面倾向的垂直应力如图4所示。

(a)工作面回采至对接前20m (b)工作面回采至对接前10m

(c)工作面回采至对接点 (d)工作面回采至对接后10m图4 工作面倾向垂直应力曲线

由图4分析可知：

(1)煤层受开采扰动影响，围岩应力重新分布，采空区两侧煤柱内形成应力集中；不等长综采工作面对接前20m，采空区上侧煤柱支承压力大小在11～12MPa，下侧煤柱支承压力大小受到煤层回采以及切眼2开挖影响，应力出现较小波动，叠加应力大小达到14～15MPa；低位岩层上下侧煤柱应力集中程度高于高位岩层上下侧煤柱，两回采巷道煤柱帮易片帮、臌出。

(2)工作面回采至对接前10m，采空区上侧煤柱受切眼2影响加剧，煤柱内垂直应力增大至13～17MPa，下位岩层增大幅度高于上位岩层，覆岩变形、破坏、垮落，高位岩层弯曲下沉，此时应加强切眼2的围岩支护强度

(3)工作面回采至对接点，原工作面与切眼2对接，工作面长度增加，下侧煤柱应力集中程度较对接前10m出现跳跃式变化，低位岩层应力值从17MPa减小至13.5MPa；上侧煤柱受工作面对接的影响较小，支承压力大小较对接前10m基本无变化。因此对接点处是不等长工作面矿压控制的重点。

(4)工作面回采至对接点后10m，上下侧煤柱支承压力峰值均增大，下侧煤柱支承压力增大幅度较大，工作面支承压力出现上小下大的非对称特征，开始和现有理论相吻合，工作面围岩应力受对接处应力叠加作用减弱。

4 矿压管理对策

数值模拟结果显示，大倾角煤层不等长工作面在对接前后应力集中问题突出，致使巷道变形、顶板冒空、漏顶等问题突出。因此，当工作面回采至对接点时需保证工作面支架的稳定性。采取合理的支架对接技术，保证工作面支护系统安全和工作面的高效开采。

4.1 支架对接技术

回采至长短面对接处，实施支架对接，保证工作面支架稳定。对接成功的关键在于短面与联巷方位保持一致，水平面投影需同线；对接处底板平缓，支架在对接点上下可平缓过渡；联巷首架支架与短面末架支架间距控制在3.0m左右，保证对接后下部支架间距均匀且避免机头与运输巷上帮间距过大，如图5(a)所示。对接后保证支架平直，并在同一水平，如图5(b)所示。

(a)对接示意图

(b)对接现场图图5 支架对接

4.2 对接时顶板管理措施

不等长综采工作面在长短面对接时出现液压支架下窜问题，致使机尾上方顶板支护困难，因此需加强机尾处顶板支护；对于工作面上端头部位使用超前棚(采用11#矿用工字钢配合单体液压支柱支护)，增设上风巷改棚的挑棚数目。其中挑棚数应满足：倾向棚长度小于3.5m时挑2排挑棚，长度为3.5～4.5m时设3排挑棚。

当工作面回采至衔接点处，实施支架对接。对接期间工作面支架压力较大，矿压显现剧烈，需采取措施对顶板进行加强支护。在回采至对接点前5个循环时，每回采一个循环工作面下端6架支架上穿一排倾向工字钢。在回采至对接点前2个循环时，每回采一个循环整个工作面支架穿一排倾向工字钢。为防止停采期间上风巷安全出口顶板下沉较大，支设3个木垛。严格控制采高不超3.5m。

5 结论

(1)利用FLAC3D数值软件模拟了大倾角煤层不等长综采工作面对接前后围岩应力演化特征。基于数值计算分析，得到了衔接点附近受煤层开采与切眼2的叠加影响剧烈，支承压力出现了先增大后减小的跳跃式变化。

(2)工作面在对接前后，采场覆岩活动加剧。低位岩层在支承压力作用下破碎垮落，局部岩层离层，覆岩断裂。可知衔接点处是不等长工作面矿压控制的重点。

(3)根据数值计算结果以及现场观测，提出了大倾角煤层不等长综采工作面支架对接技术以及顶板管理对策，实现了工作面的安全高效开采。