浅埋中厚煤层超长工作面末采矿压规律研究

刘会利，郭彦科

(神东煤炭集团有限责任公司 锦界煤矿，陕西 榆林 719319)

神东矿区大部分区域煤层赋存表现出浅埋深、薄基岩、厚松散层的特点，经矿区实践及多方科研团队研究表明其采场矿压并没有因为埋深浅而减弱，反而会出现较强烈的矿压显现[1-4]。末采作为工作面推进及接替过程中最重要的环节之一，其矿压显现具有特殊性、强烈性等特点，因此，探究工作面末采阶段矿压显现规律对工作面贯通回撤通道具有可靠的指导作用。

近年来，针对浅埋煤层覆岩运移与矿压显现规律日趋成熟[5，6]。神东矿区开发伊始，黄庆享等[7，8]便提出了浅埋煤层基岩基本顶切落的短块“砌体梁”结构模型和“台阶岩梁”结构模型；白俊豪[9]以布尔台煤矿42煤大采高综采工作面为研究对象，对其末采期间主回撤通道矿压显现进行了实测，分析总结了围岩变形破坏特征和通道顶板来压显现等数据，提出了相似工作面主回撤通道贯通时应采取的措施和建议；王生彪，黄庆享[10]对榆家梁煤矿42208超长综采工作面初采、周期来压、末采顶板来压规律进行实测研究，总结了浅埋煤层超长综采工作面矿压显现规律和覆岩移动规律。经过上述及相关文献[11，12]的分析研读，发现对浅埋条件下中厚煤层超长工作面末采矿压规律研究甚少，且研究方法均为实测分析，研究手段单一，对相似工作面矿压预测可靠性不强。因此，本文拟采用数值模拟方法，结合上个工作面末采矿压分析，对神东锦界煤矿31114综采工作面末采回撤通道贯通过程中的矿压显现规律进行预测，并总结出相应的浅埋条件下中厚煤层超长工作面末采矿压规律。

1 工程概况及矿压观测方案

1.1 工作面概况

锦界煤矿31114综采工作面沿煤层倾向布置，为调斜工作面，工作面运输巷推进长度5189m、工作面回风巷推进长度5254.6m，工作面现推进4750m，即将进入末采。工作面两条进风巷和一条回风巷与31煤一盘区集中辅运大巷垂直，采用锚杆、锚索和钢筋网联合支护，31114工作面位置及巷道布置如图1所示。工作面长度369.4m，煤层厚度3.05～3.53m，平均3.29m，煤层埋深91～121m，倾角1°。直接顶为粉砂岩，平均厚度4m，基本顶为细砂岩，平均厚度11.23m，上覆正常基岩厚度31～42m，风化基岩厚度11～64m，松散层厚度6.5～67m。工作面使用双柱支撑掩护式液压支架进行支护，支架中心距1.75m，工作阻力为12000 kN。作为31114工作面末采矿压参考的31113工作面地质概况与其类似，且支护设备型号及回撤通道尺寸参数相同。

图1 31114工作面位置及巷道布置

1.2 矿压观测方案

北煤掩护式液压支架在左右立柱上安有压力传感器，压力数值可以动态的显示在PM32上，把支架PM32上显示的数据传至办公电脑屏幕上，每割一刀煤，将测点支架的数据记录下来并定期收集矿压数据，便于研究来压步距和顶板活动规律。

将31114工作面及31113工作面的正常回采期间、末采期间矿压数据整理，对比分析两个工作面正常回采时的矿压规律，并结合31113工作面末采矿压显现指导31114工作面回撤通道贯通。

2 数值模型建立与方案设计

2.1 数值模型建立

根据31114工作面地层综合柱状图采用3DEC软件内置命令等效建立地层数值模型，模型大小为200m×2m×90.5m(由于3DEC软件计算时对模型块体数量有要求，因此推进方向只建立200m)。模型中切割的最小块体为直接顶块体，大小为0.75m×2m×1m。模型中使用的岩层力学参数见表1。模型施加的边界条件：固定模型前、后、左、右边界，因模型建至地表，模型上部不施加载荷，地层中施加z方向上9.8m/s2的重力加速度。

表1 31114工作面地层岩体物理力学参数

2.2 模拟方案设计

模型计算初始平衡后，工作面开切眼布置在x=-66～-60m处，宽6m，回撤通道布置在x=70～75m处，宽5m，高3.5m。工作面从开切眼处向回撤通道推进，一般以5m/步的速度推进，临近测点时放慢推进速度，每推进一步计算10000时步，共推进136m，此回撤通道采用锚杆、锚索加垛式支架支护，模型中施加方案如下：顶部一排五根锚杆加三根锚索，副帮三根锚杆，锚杆长2.1m，预紧力60kN，锚索长8m，预紧力140kN；顶板施加1.12MPa的等效垛式支架的载荷。

矿压观测方法及目的如下：①通过在控顶区煤壁处顶板中设置位移测点，监测顶板下沉量来判断顶板来压规律；②通过在回撤通道顶板中设置竖直位移测点预测回撤通道贯通时顶板下沉变化情况；③通过在回撤通道正煤帮处设置水平位移测点及支承应力测点来预测回撤通道将要贯通时两帮移进情况和煤帮支承应力变化状况。

3 矿压实测结果分析

3.1 正常回采时31114与31113工作面矿压对比

31114与31113工作面回采的采高、埋深和基岩厚度基本一致，但31114工作面长度较31113长68m，首先研究工作面长度与对矿压数据的关系，将31113工作面与31114工作面推进至170～340m的矿压数据每隔3刀取一个数值，运用软件Origin9.1绘制成折线图如图2所示。31114工作面长度369.4m，推进170m，共计来压16次，周期来压步距10.6m；31113工作面长度301m，推进170m，共计来压13次，周期来压步距13m。计算得，31113与31114工作面长度比例为1.227，31114与31113工作面周期来压步距比例为1.226，因此，在锦界煤矿一盘区地质条件下，工作面长度与周期来压步距近似成反比。

图2 31113与31114工作面正常开采周期来压对比

31114工作面平均来压强度为41.425MPa，最大来压强度为46.2MPa；31113工作面平均来压强度为40.76MPa，最大来压强度为45.3MPa。由此得出：工作面越长，来压强度越大，但其差值较小。

3.2 31113工作面末采矿压分析

31113工作面末采期间，距离工作面贯通回撤通道10m位置为挂网位置，工作面周期来压马上推过，有利于末采挂网人员的安全作业。31113工作面末采期间周期来压如图3所示，横轴4081m处为贯通位置，从图3中可以看出，在该阶段最后47m范围内共来压4次，平均来压步距11.75m。工作面共布置176台支架，来压影响到了工作面30架—150架，工作面来压范围广。工作面距回撤通道6m时，工作面最后一次来压，来压持续5.4m，使得贯通位置处于压力正常阶段。贯通前，31113主回撤通道正帮片帮严重，最大片帮尺寸达到2.1m×1.6m×0.5m，两帮出现帮鼓，顶板出现明显的下沉现象，最大下沉量达0.12m。工作面支架立柱中最大压力达45.9MPa。

图3 31113工作面末采周期来压矿压曲面图

3.3 31114工作面末采矿压预测

31114工作面现推进至4750m处，还需推进439m与回撤通道贯通，预计2020年5月份贯通。上文分析出回采时31113与31114工作面周期来压步距与工作面长度近似成反比，将此比例运用于末采，31113末采平均周期来压步距11.75m，则31114末采时平均周来压步距为9.58m。为确保挂网安全，挂网位置同样取倒数第二次来压后，距回撤通道约10～15m。末采期间支架立柱中最大压力约为46.9MPa。

回撤通道贯通时顶板最好的状态是周期来压刚结束，结合31113工作面即将贯通时来压持续长度，若工作面距回撤通道一定距离S时工作面未来压，则应停采等压，使得顶板岩层中裂隙充分发育后垮落，缩短来压步距。根据相关文献[13-15]实践与研究成果，距离S计算方法如下：

S2=le

(2)

S=max(S1，S2)

(3)

式中，S1为煤壁塑性区宽度(理论计算所得停采位置)，m；Kd为动压系数，依据工作面矿压数据计算取1.6；M为回撤通道贯通时工作面采高，取3.2m；A为煤层侧压系数，计算得1.18；φ为煤体内摩擦角，取38°；K为应力集中系数，取2.5；γ为上覆岩层平均重度，计算得21428kN/m3；c为煤体内聚力，取1.2MPa；S2实践经验所得停采位置，m；le为31113工作面末采贯通回撤通道时来压持续长度，取5.4m。

经计算得出：S1=4.16m，S2=5.4m。因此，末采等压时工作面距回撤通道位置S取5.4m。

4 31114工作面末采数值模拟结果分析

4.1 末采期间回撤通道变形分析

31114回撤通道正帮(靠工作面一侧煤壁)及顶板位移量随工作面推进变化如图4所示。从图4中可以看出，工作面开采初期回撤通道形成时，两帮移进量几乎为0，顶板下沉量为0.98cm；当工作面采至距回撤通道约95m处时，回撤通道正帮开始向外变形，位移量较小，当工作面采至距回撤通道约30m处时，正帮变形量达到最大值3.08cm，继续向前推进10m后变形量稳定在2.2cm左右；当工作面采至距回撤通道约20m处时回撤通道顶板开始发生下沉，工作面距回撤通道10m时下沉速度加快，此时下沉量累计为2.48cm，工作面距回撤通道5m时下沉量累计为4.45cm，工作面距回撤通道3m时下沉量累计为5.59cm，工作面距回撤通道1.5m时下沉量累计为6.43cm，当工作面贯通回撤通道时下沉量累计为14.04cm。

图4 回撤通道正帮及顶板位移量随工作面推进变化曲线

4.2 回撤通道正帮应力分析

回撤通道正帮支承应力随工作面推进变化如图5所示，从图5中可以看出，工作面距回撤通道25m时，该测点处支承应力明显开始上升，距回撤通道5m时，应力增长速度最快，当回撤即将通道贯通前，中间煤壁处支承应力达到峰值17MPa；贯通时锚杆中的最大应力达到4.9MPa。因此，在工作面贯通回撤通道时，需防止煤壁炸帮、煤块飞出伤人等事故的发生。

图5 回撤通道正帮支承压力随工作面推进变化曲线

4.3 末采工作面来压分析

数值模拟试验中末采时控顶区顶板下沉量(支架活柱下缩量)随工作面推进变化规律如图6所示，工作面推进136m时，贯通回撤通道，开采最后30m工作面共来压3次，最后一次来压是距回撤通道5m处，此时工作面顶板下沉量开始急剧上升，贯通时顶板最大下沉量上升至22cm，小于工作面支架活柱行程，在保证贯通时工作面足够采高的前提时，回撤通道可安全贯通。

图6 末采阶段控顶区顶板下沉量随工作面推进变化曲线

5 结 论

1)通过对锦界煤矿浅埋中厚煤层31113和31114工作面正常回采时来压步距和来压强度分析，得出：浅埋中厚煤层工作面周期来压步距与工作面长度近似成反比；来压强度随工作面长度增加而增加，但增幅不大。

2)基于以上关系，通过对31113工作面末采时矿压分析，推测出31114工作面末采时工作面来压步距为9.58m，支架立柱中最大压力为46.9MPa。合理挂网位置为倒数第二次工作面来压后，距回撤通道约10～15m。采用理论公式计算得出31114工作面末采等压位置为距回撤通道贯通5.4m处。

3)使用3DEC数值模拟软件对31114工作面末采过程进行模拟，模拟结果显示，工作面贯通回撤通道时回撤通道顶板下沉量为14.04cm，正帮鼓起2.2cm，工作面支架活柱下缩量为22cm。

4)31114工作面按上述参数做好末采挂网、等压及保证采高等措施时，工作面可安全贯通。