玉溪煤矿1301大采高工作面矿压特征分析

李宁宁

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 沁水 048214）

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿年产量2.4 Mt，矿井主采3#煤层，其1301 工作面位于井田南部的一盘区。 该工作面开采3#煤层厚度为5.12～7.20 m，平均厚度为5.85 m，煤层内平均含有2 层夹矸，夹矸层多为泥岩，平均厚度为0.28 m。 煤层顶板岩层为泥岩和中砂岩，底板岩层为泥岩和砂质泥岩，煤层顶底板岩层特征如图1 所示。 1301 作为矿井首采工作面，采用大采高综合机械化开采，开采高度为5.8 m。 为指导矿井生产，拟对该工作面开采矿压特征等进行分析探讨。

图1 煤层顶底板岩层柱状图

2 覆岩模拟分析

根据工作面的地质条件，拟采用FLAC3D数值模拟软件对工作面回采期间矿压特征进行分析。建立数值模型长×宽×高=400 m×280 m×100 m，模型设置工作面宽度为280 m，在工作面两侧留设40 m 的煤柱，模型底部固定竖向位移，模型两侧固定水平位移，模型顶部施加等效覆岩荷载[1-3]，即施加荷载为7.5 MPa，设置侧压系数为1.2，模型中各岩层的物理力学参数根据顶底板岩层力学参数进行赋值[4-6]。

模型建立后，首先初始地应力平衡，随后进行工作面的循环开挖（一次开挖5 m）。 主要对工作面回采期间覆岩垂直应力、 垂直位移和塑性区发育特征进行分析。

2.1 覆岩垂直应力分布

选取工作面回采推进至40 m、72 m、86 m 和100 m 处，覆岩垂直应力的分布规律如图2 所示。

图2 工作面回采过程覆岩垂直应力分布云图

从图2 可知，工作面回采期间在煤壁前方出现应力集中区域，即超前支承压力影响区域，影响范围约为工作面前方10～55 m，峰值出现在工作面前方15～25 m 的位置处，最大值29.93 MPa；在工作面后方20～50 m 的范围内为覆岩离层区，滞后工作面50～100 m 范围内的垮落矸石会逐渐被压实，该区域为压实区；另外，工作面两侧支承压力影响范围为5～10 m，侧向支承压力峰值会出现在6～8 m 的范围内。

2.2 覆岩垂直位移分布

选取工作面回采推进至40 m、72 m、86 m 和100 m 处，覆岩垂直位移分布规律如图3 所示。

图3 工作面回采工程覆岩垂直位移分布图

分析图3 认为，当工作面回采推进40 m 时，此时沿工作面面长方向形成了一个卸压拱形状，卸压拱区域为应力降低区，岩层内部的垂直应力均处于0～5 MPa 的范围内，此时覆岩垂直应力也大幅增大，覆岩开始呈现为“三带”的分布形式；当工作面推进到72 m、86 m 和100 m 处，上覆基本顶岩层呈现出周期性破断变形的特征，基本顶的周期来压步距在14～17 m 的范围内，平均周期来压步距为15 m。

2.3 工作面回采期间覆岩塑性区的发育特征

工作面回采推进至40 m 处，此时基本顶初次来压，覆岩的垮落高度约为10 m，覆岩裂隙的发育高度约为16.2 m，随着工作面的进一步回采，覆岩垮落带的最大发育高度约为25 m，裂隙带的最大发育高度约为75 m，覆岩75 m 以上区域的岩层为弯曲下沉带。

3 矿压监测

3.1 矿压监测方案

工作面回采期间，采用支护质量监测仪进行液压支架工作阻力数据的采集，在工作面上部、中部和下部分别安装10 个支护质量监测仪，从工作面机头第5#液压支架开始向机尾方向，每间隔5台液压支架安装1 个支护质量动态监测仪。

工作面采用ZYG15000/27/55D 支撑掩护式液压支架，支架安全阀开启值为43 MPa，当液压支架工作阻力大于安全阀开启值时，安全阀便会开启。 工作面开采期间，重点对支架安全阀的开启次数进行统计分析。

3.2 监测结果分析

工作面回采期间液压支架的工作阻力及来压情况如图4 所示。

图4 工作面回采期间液压支架工作阻力及来压曲线

从图4 可知，工作面基本顶的来压步距的最大值和最小值分别为48.2 m 和7.35 m，平均来压步距为22.0 m；上部30#液压支架来压时的平均阻力为34.7 MPa，非来压期间的平均阻力为26.9 MPa；工作面中部95#支架处来压步距最大值和最小值分别为22.2 m 和4.9 m，来压步距平均值为22.0 m，液压支架来压期间平均阻力和非来压期间支架工作阻力值分别为44.4 MPa 和26.9 MPa；130#液压支架处平均来压步距为16.3 m，来压期间和非来压期间的平均工作阻力分别为36.3 MPa 和28.5 MPa。

通过对工作面上部、 中部和下部支架工作阻力情况的统计分析，得出工作面支架来压特征如表1 所示。

表1 工作面上部、中部和下部支架来压特征

依据监测数据，得出工作面周期来压步距和支架工作阻力曲线如图5 所示。

图5 工作面来压步距和支架工作阻力曲线

从图5（a）可知，工作面平均来压步距呈现两端大中间小的特征，工作面上部、中部和下部最大来压步距平均分别为48.8 m、29.3 m 和41.4 m；工作面最大来压步距的均值为平均来压步距均值的2.58 倍，表明覆岩出现2～3 次小的周期来压现象，才会出现1 次覆岩破断导致的大周期来压现象。

从图5（b）可知，液压支架平均工作阻力、来压判据及最大工作阻力呈现为中间大、 两端小的分布特征，总体表现为工作面中部＞下部＞上部，且工作面上部和下部间的差值较小，工作面整体工作阻力的平均值为30.1 MPa，来压判据的平均值为34.9 MPa。

依据观测数据，得出工作面沿着面长方向支架安全阀开启次数的曲线如图6 所示。

图6 液压支架安全阀开启次数曲线

从图6 可知，液压支架安全阀开启次数沿工作面面长方向呈现为单峰分布，工作面的中部安全阀开启次数多，中部支架的压力水平明显高于两端头，且相较于工作面上部，下部安全阀开启的次数相对较多。 基于上述分析可知，工作面上部5#～45#液压支架压力水平和来压强度相对较低，而工作面中部支架的来压强度相对较大，在工作面回采期间需重点加强工作面中部支架管理。

4 结语

通过数值模拟方法对1301 工作面矿压特征进行分析探讨；得到如下数据：工作面超前支承压力的影响范围为10～55 m，垮落带和裂隙带的最大发育高度分别为25 m 和75 m；现场监测表明，工作面上部、 中部和下部支架的平均来压步距为18.7 m、15.0 m 和13.2 m，来压步距呈现为两端大、中间小的特征，在工作面中部液压支架安全阀开启次数多，需加强管理。