地表山体载荷对浅埋深工作面开采矿压的影响

2020-09-09任艳芳

矿业安全与环保 2020年4期

任艳芳

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

我国神东煤田煤层的地质条件优越，其地表的绝大部分被黄土和第三系黏土覆盖，地形切割严重，沟壑纵横，沟谷、山峰交错。多年来的开采实践表明，地表黄土山体纵横交错致使浅埋煤层开采时的地表载荷受环境的影响较大，开采过程中矿压显现剧烈。这成为引发浅埋深长壁采场切顶事故的主要因素之一，工作面开采至地表山体附近时易发生切顶压架事故[1]。

国内学者对神东地区浅埋深煤层开采时的矿压规律进行了深入的研究[2-9]。实质上，浅埋深工作面在推进至地表沟谷区域时发生的强烈动载矿压现象，主要是由于地表山体环境变化导致煤层开采过程中载荷环境发生变化引起的，即载荷大小、载荷作用方式等发生变化导致岩层结构失稳，易引发切顶压架事故。因此，掌握地表山体对浅埋深工作面开采矿压的影响规律，对浅埋深煤层的安全高效开采具有重要意义。

笔者以神东公司榆家梁煤矿44305工作面为例，以工作面现场实测矿压数据为基础，采用数值模拟方法，分析山体对工作面开采矿压的影响。

1 工程背景条件

榆家梁煤矿44305工作面位于榆家梁井田中南部，开采神东煤田4-3煤层，煤层厚度为1.70～2.00 m，平均厚度为1.85 m，煤层倾角为1°，工作面走向长度为 2 298 m，倾向长度为300 m。44305工作面上覆基岩厚度为12～38 m，最薄处位于开切眼附近；地表覆盖黄土层厚度为0～165 m，在工作面采用ZY11000/11/22液压支架支护顶板。

44305工作面上部为44205、44206工作面采空区，44305工作面推进时会经过4-2煤层火烧区、采空区及遗留煤柱等特殊区域。

根据44305工作面运输巷钻孔推断的地质剖面及对应的地表地形，如图1所示。

图1 44305工作面对应地表地形及地质剖面推断图

2 现场矿压实测

2.1 监测方案

44305工作面液压支架所用压力观测仪器为CDW-60型支架压力记录仪，主要用于监测44305工作面液压支架的实时工作阻力。

分别在44305工作面45#～46#，60#～61#，92#～93#，132#～133#等4组8个液压支架上安装压力观测仪器，设置4个测站，液压支架压力观测仪器布置如图2所示。

图2 44305工作面矿压监测仪器布置示意图

对44305工作面2 298 m的走向长度范围内的液压支架压力数据进行了全程记录。

2.2 地表载荷对工作面矿压的影响分析

2.2.1 分析数据的选取原则

考虑到工作面的推进时效、观测尺度等因素的影响，地表载荷层厚度变化对工作面矿压的影响难以实现真正意义上的定量化分析。因此，数据的选取原则如下：

1)按照每5 d、日推进度大于10 m及地表变化剧烈等3个原则选取数据点，读取地表山体、基岩层厚度，对工作面的矿压数据进行分析。

2)按照内插法读取地表松散层标高、煤层底板等高线标高及煤层厚度数据，数据精度为0.5 m。

3)选择测线上2个支架每天最大工作阻力和时间加权平均工作阻力的平均值作为测线矿压数据。

4)4-2煤层采空区的基岩厚度按照柱状为17 m计。

44305工作面在2008-08-10至2008-10-30期间，由126 m推进至647 m，正常推进速度为8～12 m/d，该范围内基岩层厚度变化范围为23～38 m，地表松散层厚度变化范围为20～112 m。

基于分析数据的选取原则，计算得到44305工作面不同推进距离下各测站液压支架压力数据与对应的覆盖层厚度关系，如图3所示。

图3 44305工作面不同推进距离下液压支架工作阻力变化曲线图

结合现场实际情况分析，44305工作面08-25日推进至221 m，进入4-2煤层火烧区下方；09-27日推进至465 m，工作面中下部逐步进入44205工作面开切眼煤柱下方；10-17日推进至550 m，工作面中下部进入上层煤采空区下方，以上区域对应的工作面压力均显现剧烈。

2.2.2 观测数据分析

选取44305工作面上部45#～46#测站(距离工作面运输巷较近，不受其他因素影响)液压支架数据进行分析[9,12]。

对比图3并结合44305工作面推进时间与推进速度分析可知：08-20至08-30期间，45#～46#测线处对应的地表呈现“沟底—出沟—沟底”的“低—高—低”变化趋势，测线压力呈现出先减小后增大的变化趋势，这主要是由于工作面压力对地表地形变化的反应有滞后性，滞后距离约为10 m，与工作面周期来压步距相当。此期间基岩层厚度变化约 0.5 m，影响不大。

09-01至09-05期间，45#～46#测线处对应的地表呈现“高—低—高—低”的变化趋势，测线压力呈现出“低—高—低—高”的变化趋势，这期间44305工作面的正常回采推进速度约为9 m/d，地表地形的变化对工作面矿压的影响依旧具有滞后性，滞后距离约为10 m。此期间基岩层厚度变化产生的影响不大。

09-10至09-17期间，44305工作面进入4-2煤层火烧区影响范围内，45#～46#测线处在“高—低—高”变化的地表地形下，这段地表的变化比已遇到地表的变化更加显著，工作面压力显现也强烈，但工作面压力变化规律与地形变化规律相似，未见明显滞后距离。由于区域基岩层不完整导致地表地形的变化对工作面压力的影响更为直接，滞后距离缩短。

10-02至10-08期间和10-10至10-20期间，44305工作面分别经过地表两座山体的下方，地表变化呈现“高—低—高”的趋势，测线压力呈现“低—高—低”的趋势，滞后距离约为10 m。

10-20至10-30期间，地表覆盖层厚度逐渐减小，但45#～46#测线恰好处于上层煤采空区遗留煤柱高压影响区域，导致测线处工作面的压力依旧处于较高水平。

采取同样的数据分析方法，分别对其他测站数据进行了对比分析，所得结论一致。可见，地表覆盖层厚度越大，工作面压力显现越强烈。同时，受基岩层承载及破断特性的影响，地表载荷的传递存在一定的滞后性，滞后距离与顶板周期破断距离相近。

3 数值模拟分析

为了更好地分析地表地形的变化对工作面围岩应力场分布规律的影响，以44305工作面为工程背景，选取44305工作面初采区域前后500 m范围内的地形高程数据，建立与实际地表地形相同的数值模型。建立的数值模型长、宽均为500 m，模拟300 m长工作面，1.85 m厚煤层。提取的地表黄土层(地表松散层)等厚线图如图4所示。

图4 地表黄土层等厚线

利用专业软件[10-11]将生成的地表覆盖黄土层(地表松散层)实体化模型导入建好的FLAC3D数值模型中，应力平衡后的数值模型如图5所示。

为分析地表松散层厚度对工作面矿压的影响规律，选取模拟工作面的不同推进阶段，对工作面中部的超前压力峰值和对应地表松散层厚度进行对比分析，如图6所示。

由图6可知，随着工作面推进，工作面超前支承压力峰值逐渐增大，当裂隙导通地表时超前支承压力峰值达到极值，随后降低。总体分析可知，地表松散层厚度与工作面矿压显现强度呈正相关关系，这与现场实测矿压规律一致。

4 地表地形变化对工作面的影响机理分析

掌握了地表地形变化所引起的载荷大小变化对工作面矿压的影响规律，还需要掌握地表地形变化引起的载荷传递方式对工作面生产造成的影响。为便于分析地表山体载荷传递方式、范围及其造成的影响，建立2个理想化的山体，高度分别为100、150 m，模型长、宽均为480 m。模型中基岩层厚度按照44305工作面综合柱状图中的标注确定。

在工作面不同推进阶段，沿工作面中部采场的垂直应力分布云图如图7所示。