大倾角特厚煤层综放开采矿压显现规律研究

张锁纪

（山西焦煤霍州煤电集团吕临能化有限公司，山西 吕梁 033200）

特厚煤层采用综放开采工艺，具有高产、高效和安全等一系列优势[1]。由于综放工作面开采煤层厚度大，往往矿压显现也较为剧烈。目前对于综放工作面矿压显现的研究大多针对缓倾斜近水平煤层，而对于大倾角特厚煤层综放开采的矿压显现规律研究却相对较少[2]。针对庞庞塔煤矿9-301 大倾角特厚煤层综放工作面的煤层赋存条件，对其矿压显现规律进行研究，以促进大倾角特厚煤层的绿色安全高效开采很有必要。

1 矿井及工作面基本情况

庞庞塔煤矿地处山西省临县县城以东，井田南北长20 km、东西宽3 km，面积60.731 km2，保有储量约12 亿t，产能10 Mt/a。9-301 工作面位于三采区，工作面走向长1 327 m，倾斜长247 m，北侧与采区暗斜井相邻，其南侧与井田边界相邻，西侧与已回采的9-101 工作面相邻，东侧煤炭资源未开采，部分地段上覆5#煤层5-108、5-101 采空区。盖山厚度为320～500 m，平均埋深460 m。9#煤层厚度10.8～12.4 m，平均11.8 m；倾角4°～34°，平均20°。机采高度、 放煤高度分别为3.2 m、8.6 m，采用一采一放的方式，割煤步距0.8 m。

9-301 工作面煤层顶板情况如表1所示。

表1 9-301 工作面煤层顶板情况

2 大倾角特厚煤层开采顶板结构力学分析

大倾角煤层综放开采工作面的直接顶与缓倾斜近水平煤层工作面直接顶垮落情况不同，不能随采随冒全部垮落[3]。随着综放开采顶煤的放出，直接顶失去足够的支撑力，在上覆岩层的作用下达到破坏极限，从而发生破坏并随煤流一同向采空区滚落。由于煤层倾角的存在，破断的矸石同时会沿煤层倾向向下山方向滚动，造成矸石在工作面下段堆积，沿煤层倾向方向，工作面上部的直接顶一般能全部冒落，且冒落后矸石向工作面下部移动充填[4-5]。工作面中部直接顶内的下分层能够较好破碎冒落，上分层会发生不同程度的断裂，产生块度较大的块体。工作面下部只有下分层会产生破坏冒落，来自上、中部的矸石在此堆积压实，形成良好的支撑体。由于工作面中部的上分层会冒落较大块体，且排列整齐，加上未冒落的直接顶，走向方向上会出现砌体拱结构。大倾角煤层工作面直接顶倾向结构力学模型，如图1所示。

图1 大倾角煤层工作面直接顶倾向结构力学模型

3 大倾角特厚煤层开采数值模拟分析

3.1 模型建立

基于9-301 工作面空间与地质情况，通过FLAC3D模拟软件构建相应模型，来分析回采过程当中顶板应力规律。约束模型在X 轴两侧、Y 轴两侧和Z 轴底部上的位移，将大小为7.2 MPa 的等效载荷作用于Z 轴上部，并将其设置为自由面，将自重载荷设定为Z 轴。模型长度500 m，宽度400 m，高度250 m，包含648 960 个单元、683 995 个节点。数值模拟模型如图2所示。

图2 9-301 工作面数值模型

3.2 模拟结果分析

（1）工作面围岩应力分布规律

9-301 工作面开采前围岩应力分布如图3所示。

图3 9-301 工作面开采前围岩应力分布

9-301 工作面超前支承压力如表2所示。

表2 9-301 工作面超前支承压力统计

由图3和表2可知，9-301 工作面下部处在残留煤柱应力影响区，应力达到12～18 MPa；工作面上部处在上部采空区卸压区域，应力为8～12 MPa，其采动应力分布较为复杂。煤柱下方和非煤柱下方的支承压力分布特征如下： ①工作面回采进度为50 m 时，超前支承压力峰值在煤柱区、非煤柱区分别为28.4 MPa、14.3 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影响范围30 m；②工作面回采进度为100 m时，超前支承压力峰值在煤柱区、非煤柱区分别为30.2 MPa、19.5 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影响范围37 m； ③超前支承压力峰值及其影响范围，会在工作面回采过程中出现逐步增大的现象，工作面回采进度为200 m 时，超前支承压力峰值在煤柱区、非煤柱区分别为31.9 MPa、24.7 MPa，其位置在煤壁前方5 m，影响范围45 m，并且此后超前支承应力峰值和及响范围会处于稳定状态；④受上方5#煤层工作面遗留煤柱的影响，9-301工作面下部区段受到集中应力的影响，工作面前方支承压力较大，峰值压力达到33.4 MPa。

（2）工作面顶煤运移规律

9-301 工作面开采过程中顶煤水平位移分布如图4所示。

图4 9-301 工作面开采过程中顶煤水平位移分布

9-301 工作面采用综合机械化放顶煤开采方法，顶煤的运移规律影响顶煤的放出效果。由图4可知： 在超前支承应力和采空区顶板的共同影响下，水平方向上顶煤在工作面前方6.4 m 开始发生移动，垂直方向上顶煤由上至下逐渐移动。

4 大倾角特厚煤层开采矿压监测分析

将9-301 工作面支架的矿压监测数据作为研究对象，在工作面上、中、下部分别选取部分支架数据进行分析，以支架平均循环末阻力与其均方差之和作为周期来压判断依据，工作面顶板来压步距统计情况如表3所示。

表3 工作面顶板来压步距统计情况

根据以上3 架支架的矿压数据并结合图4可知，9-301 工作面平均初次来压步距26.2 m，平均周期来压步距5.3 m。工作面布置ZF12000/22/35型放顶煤液压支架，来压、非来压期间的支架工作阻力峰值分别为10 334.58 kN、9 375.92 kN，分别占其额定工作阻力的86.1%、78.1%，支架在顶板周期来压期间的平均动载系数为1.11。除此之外，在工作面不同位置，其所布置支架承载压力和来压步距具有差异性，工作面上部支架所承载压力要比中下部支架要大，并且工作面上部来压步距也比中下部要大。

5 结论

1）通过数值模拟可以得出，9-301 工作面下部处于残留煤柱的应力影响区，应力达到12～18 MPa；工作面上部处于上部采空区的卸压区域，应力为8～12 MPa，采动应力分布较为复杂。超前支承压力的峰值及影响范围会随工作面推进过程逐步增大，工作面回采200 m 时，超前支承应力峰值及响范围会处于稳定状态。受上方5#煤层工作面遗留煤柱的影响，工作面下部区段受集中应力影响显著，工作面前方支承压力较大，峰值压力达到33.4 MPa。在超前支承应力和采空区顶板的共同影响下，水平方向上顶煤在工作面前方6.4 m 开始发生移动，垂直方向上由上至下顶煤逐渐移动。

2）通过矿压监测可以得出，9-301 工作面平均初次来压步距26.2 m，平均周期来压步距5.3 m。工作面布置ZF12000/22/35 型放顶煤液压支架，来压、非来压期间的支架工作阻力峰值分别为10 334.58 kN、9 375.92 kN，分别占其额定工作阻力的86.1%、78.1%，支架在顶板周期来压期间的平均动载系数为1.11。除此之外，在工作面不同位置，支架承载压力和来压步距具有差异性，工作面上部支架所承载压力要比中下部支架要大，并且工作面上部来压步距也比中下部要大。工作面在周期来压期间出现了煤壁片帮、漏顶等情况，因此周期来压是大倾角特厚煤层工作面顶板控制的重点时期。