镇城底矿综采工作面矿压显现规律分析

2020-03-03仝元

江西煤炭科技 2020年1期

仝元

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西古交 030203）

在煤矿的开采过程中，如何采取经济、合理的措施实现采场围岩稳定是煤炭生产企业一直关心的问题。由于综采工作面矿压显现规律的复杂性[1-4]，许多问题仍需仔细研究。不少专家学者对于综采工作面的矿压显现规律进行了深入研究[5-7]，并且得出了非常有价值的研究结论。但是，对于过断层的综采工作面顶板运动规律研究的较少。本文以镇城底矿28107综采工作面围岩为观测对象，研究该工作面顶板运动及其矿压显现规律和对选用支架的适应性进行评价，对回采巷道矿压显现进行实测，为采场围岩控制提供可靠的技术参数，为回采巷道超前支护的范围和强度确定提供了依据。

1 概述

1.1 工作面概况

镇城底矿28107工作面位于南一下组采区，南西接南一下组皮带、轨道上山，北部为28109工作面(己回采)，南部为28112，28110，28108工作面，东部为未采区。工作面标高848～876 m，地面标高1127～1179 m，工作面面积60704 m2，倾斜长度115 m，走向长度502 ～567 m。28107工作面主采8#煤层，8#煤层发育稳定，煤层平均厚度为5.2 m。煤层直接顶为泥岩，平均厚度0.8 m，基本顶为粉砂岩，平均厚度11.6 m，直接底为细砂岩平均厚度11.44 m。煤层整体呈背斜构造，煤层倾角4°～8°，平均6°。在掘进中共揭露9条正断层，其中FS50，FS51，F5，F6，F7对回采影响较大。

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

基于镇城底矿煤矿28107综采工作面开采时的技术条件及地质条件，建立数值模型，该模型中采用的煤岩层节理的力学参数见表1，同时在建立该模型时，对煤岩层分别进行了赋值。

2.2 数值模拟过程分析

（1）顶板运动规律模拟分析

表1 28107 综采工作面煤岩层块体力学参数

本次模拟选取了工作面的顶板在工作面依次推进至15 m、47 m、57 m时的运动规律，具体模拟效果见图1。

图1 顶板运动规律模拟

当工作面推进至15 m时，液压支架后方的直接顶开始弯曲下沉并与基本顶之间出现离层，然后逐渐断裂，进而开始冒落，最终直接顶变成大量不规则岩体充填采空区。当工作面推进至47 m时，液压支架后方的直接顶已经基本冒落结束；之后基本顶逐渐断裂、下沉与上覆岩层之间出现离层，基本顶与直接顶之间的离层逐步被压实。基本顶在断裂后不断下沉并将压力传递给液压支架，出现了基本顶的初次来压。当工作面推进至57 m时，上覆岩层在重力的作用下出现弯曲下沉现象并且组合岩梁出现周期性断裂、下沉，直接顶与基本顶之间的离层逐步被压实，基本顶将压力传递给液压支架，出现了基本顶的第一次周期来压。

（2）支承压力分布规律分析

本次模拟的是当工作面向前推进15 m、47 m、57 m时，在该工作面推进方向上支承压力的分布规律，具体模拟效果见图2。

图2 支承压力分布规律模拟

当工作面推进到15 m左右时，采空区上方直接顶处为应力最小，因为此时该处直接顶处于缓慢下沉状态，并未直接受到上覆岩层一次向下传递的应力；然后，以此处为中心，应力向外侧依次增大；在煤壁前方一定的范围内，有应力增高处，这是因为上覆岩层在此处有应力集中，而且这种应力集中前后基本呈对称分布，再向外应力分布基本稳定。当工作面推进到47 m左右时，采空区中部上方范围内的基本顶断裂、离层处应力最低，因为此时基本顶断裂处未直接受到上覆岩层的压力，仅处于悬空状态；在工作面前方一定范围内，有应力集中处，这是由于基本顶回转下沉所致，应力集中的最大值在将要开采的煤壁处，此时煤壁容易出现片帮的事故；再向前方的范围内，未开采煤层中的应力逐渐趋于稳定。当工作面推进到57 m左右时，直接顶与基本顶的离层处应力最低，因为此时直接顶处于悬空状态，以此处为中心，向外侧扩展，应力逐渐增大；在采空区前后侧，应力分布状态基本一致，且呈现对称分布的特点，在工作面前方一定范围内的煤壁中，有应力集中的现象，这是因为工作面基本顶第一次周期来压的原因，再向前方的范围内，应力逐渐趋于稳定。

（3）塑性区分布规律分析

本次模拟的是当工作面向前推进15 m、47 m、57 m时，塑性区的分布规律，具体模拟效果见图3。

图3 塑性区分布规律模拟

从图3中可以看出，工作面围岩的塑性区随着工作面的不断推进而不断扩大；当工作面推进至15 m时，塑性区的整体范围最小；当推进至57 m时，塑性区的整体范围最大。工作面前后两侧的塑性区状态一般呈现对称分布。基本顶和直接顶的破坏范围主要在采空区上方集中，之前发生破坏的范围占整个塑性区范围的大部分，正在破坏的范围较少，工作面煤壁的前后方顶板岩层拉伸破坏的主要集中区域[5]。

3 现场实测结果与分析

3.1 支架工作阻力监测结果

根据液压支架的监测结果，整理和分析，绘制出28107综采工作面的支架循环末阻力见图4。

图4 支架循环末阻力

由图4可知，28107综采工作面直接顶的初次来压步距分别为16.8 m，基本顶的初次来压步距为48.3 m，基本顶的前六次周期来压步距依次为9.7 m、11.0 m、11.0 m、14.5 m、14.3 m、9.6 m。安全阀在整个监测过程中无开启现象，工作面支护效果良好[6]。

3.2 支架载荷分布图

由图5可知，支架载荷5～20 MPa的占55.58%，20～25 MPa占24.96%，25～45 MPa占19.46%，支架初撑力普遍偏低，支架的支护阻力有较大富余支撑顶板，且富余量较大。ZY13000/26.5/57D型支撑掩护式支架适应该面生产技术条件[7]。

图5 28107工作面支架载荷直方图

3.3 顺槽围岩变形监测结果

图6 28107工作面巷道围岩变形测点分析

由图6可以看出28107轨顺90 m范围内巷道压力显现不明显，顶底累计移近量最大值为：74 mm，两帮累计移近量最大值为：85 mm。超前影响范围56 m，剧烈影响范围为19 m。28107运顺80 m范围内巷道压力显现较明显，顶底累计移近量最大值为：575 mm，两帮累计移近量最大值为：450 mm。超前影响范围37 m，剧烈影响范围为23 m。