2105综放工作面覆岩活动规律分析及矿压特征研究

苗青旺

（潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

1 工程概况

山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司2105综放工作面位于11#煤层21采区，煤层均厚为6.3m，煤层结构简单，全区稳定可采，煤层平均倾角为4°，含有3～5层夹矸层，容重为1.4t/m3。11#煤层直接顶板为深灰色石灰岩，均厚8.82m，底板为黑灰色泥岩及砂质泥岩，局部为铝质泥岩，均厚2.98m。工作面顶底板岩层柱状图如图1所示。2105工作面沿11#煤层底板布置，工作面南部为井田南部边界，紧邻豹子沟煤业井田，北部为11号煤回风、胶带、轨道三条大巷，东为实体煤，西部为2103工作面采空区。2105工作面面长为200m，倾向可采长度1091m，采用综采放顶煤采煤工艺，设计采高3m，循环进度0.8m。工作面采用6架ZTA650/19.5/34型端头、端尾支架型排头、排尾架，其余支架均采用ZF6000/17/33型液压支架，该支架的初撑力为5708kN，最大工作阻力为6000kN，支架平均支护强度为495k～660kN/m2。现对低位综放工作面上覆岩层的运动规律和矿压显现特征进行分析，以指导后续工作面的安全生产。

图1 11#煤层顶底板岩层柱状图

2 上覆岩层活动规律

2.1 理论分析

根据相关矿山压力与岩层控制理论[1-3]，基本顶的初次来压步距应采用弯矩形成的极限垮落步距作为分析基础，结合伊田煤业11#煤层的具体地质条件，采用固支梁的理论分析基本顶的极限垮落步距，基本顶的初次来压步距Lf表达式如下：

式中：

Lf-基本顶的初次来压步距，m；

q-第一层顶板所受的荷载，kPa；

RT-基本顶的抗拉强度，MPa；

h1-基本顶岩层的厚度，m。

根据2105工作面的地质条件取q=836.5kPa，RT=3.15MPa，h1=10.58m，基于上述数据计算得出基本顶的初次来压步距Lf=29.03m。

工作面基本顶周期来压步距计算的理论依据与初次来压步距的计算依据相同，采用基本顶的悬臂式对基本顶的周期来压步距进行分析，基本顶周期来压步距的计算公式如下：

式中：

Lz-基本顶的周期来压步距，m；

q-第一层顶板所受的荷载，kPa；

RT-基本顶的抗拉强度，MPa；

h1-基本顶岩层的厚度，m。

根据2105工作面的地质条件取q=836.5kPa，RT=3.15MPa，h1=10.58m，基于上述数据计算得出基本顶的初次来压步距Lz=11.85m。

2.2 数值模拟分析

由于综放工作面煤层的覆岩运动规律较为复杂，采用理论分析综放工作面覆岩运动规律时具有一定的局限性。为有效研究分析2105低位综放工作面回采过程中上覆岩层的运动规律，采用UDEC数值模拟软件建立数值模型，模型长×宽=300m×73.5m。将模型两边的水平位移进行固定，固定底板的垂直位移，采用support命令对工作面的液压支架进行模拟[4-7]。设置支架的初撑力为5708kN，最大工作阻力6000kN，端面距为300mm，结合2105工作面的具体情况对岩层的各项参数进行赋值，设置在模型的两侧留设50m的保护煤柱。

根据数值模拟结果能够得出，2105工作面在推进不同距离下覆岩的运动过程，现把工作面推进10m、25m、40m和70m时覆岩的运动状态列于图2。

图2 工作面推进不同距离时围岩塑性区分布图

通过具体分析图2可知，随着回采作业的进行，工作面顶板首先出现塑性破坏的区域为两端煤壁上方的直接顶、基本顶岩层和采空区的中部。随着回采工作面的进一步推进，工作面上方的直接顶和直接顶岩层的破坏范围会逐渐增大，同时工作面基本顶上方的岩层也逐渐产生破坏。在基本顶达到极限垮落步距后，上覆岩层出现初次垮落现象，且工作面上覆岩层的塑性区会由采空区中部和两端头逐渐向周围发育。同时根据数值模拟结果可知，在工作面推进25～30m时，工作面基本顶开始出现初次垮落现象，即表明工作面的初次垮落步距在25～30m范围内。随着回采作业的持续进行，基本顶会出现周期性破断来压的现象，根据模拟结果可知，基本顶出现周期破断的步距约在12m～17m的范围内，据此可知数值模拟得出的基本顶初次来压步距及周期来压步距与理论分析得出的结果基本相同。

3 矿压特征分析

3.1 矿压观测方案

为对2105综放工作面的矿压显现规律进行分析，在工作面回采期间，对液压支架进行长期观测作业。通过观测液压支架的初撑力、支护阻力以及工作面回采过程中支架的位态，分析综放工作面在开采过程中的矿压规律及支架的适应性。观测方案将工作面划分为上部、中部和下部三个监测分区，上部测区监测6～10#液压支架，中部测区监测48#、51#和53#液压支架，下部测区监测79#、82#和85#液压支架。通过分析不同区域液压支架的工作阻力的曲线对工作面不同区域的矿压显现特征进行分析。

根据矿压控制理论可知[8]，基本顶来压的判据公式如下：

式中：

pm-基本顶来压液压支架工作阻力的判据；

pD-支架全部工作阻力的均值；

σp-液压支架支护阻力的均方差。

将2105工作面回采过程中的矿压监测数据进行统计计算，代入式（3）中，能够计算得出工作面上部区域、中部区域、下部区域液压支架的工作阻力为4231kN、4355kN、3868kN。

3.2 矿压监测结果

在2105综放工作面回采过程中，根据矿压监测结果的整理和统计分析知，三个测区内液压支架的监测结果基本相同。故现分别选取工作面上部、中部和下部的一个液压支架，具体对工作面11#、51#、82#液压支架的工作阻力曲线图进行分析。三台液压支架的工作阻力曲线如图3所示。

图3 工作面回采过程中液压支架工作阻力曲线图

通过具体分析图3可知，在2105综放工作面推进60m的范围内，结合上述工作面上部、中部及下部区域液压支架的来压判据能够得出，工作面基本顶的周期来压步距的范围在10.8～16.8m的范围内，周期来压的平均步距为13.38m。该数据与理论分析和数值模拟分析的结果基本一致，验证了理论和数值模拟结果的正确性。为有效分析2105综放工作面液压支架的适应性，根据工作面推进过程中对支架实测的工作阻力值统计，得出如表1所示的实测支架工作阻力数据表。

表1 工作面回采过程中支架工作阻力及循环末阻力

通过分析表1可知，2105工作面液压支架工作阻力的加权平均值为3866.5kN/架，占支架额定工作阻力的64.8%。工作面推进60m的范围内，实测支架的最大工作阻力为5919.2kN，占支架额定工作阻力的98.6%。实测结果得出的支架循环末阻力的加权平均值为3826.6 kN/架，占支架额定工作阻力的63.8%。在工作面基本顶来压期间，支架循环末阻力的最大值为5833.1 kN，占额定工作阻力的97.2%。可知，在2105综放工作面回采期间，支架的工作阻力得到了充分的利用，支架的整体适应性较好。

4 结论

通过对2105低位综放工作面覆岩运动规律进行理论分析和数值模拟分析，得出工作面基本顶的初次来压步距和周期来压步距分别约为25～30m和12～17m，工作面上覆岩层的塑性区发育形态表现为由采空区中部和两端头逐渐向周围发育。通过对2105综放工作面回采过程中矿压监测数据的统计分析可知，工作面回采过程中ZF6000/17/33型液压支架平均工作阻力占额定工作阻力的64.8%，平均循环末阻力占额定工作阻力的63.8%，回采过程中无液压支架超出额定工作阻力，支架的适应性良好。