万杰煤业复采工作面矿压显现分析及采面支护强度确定研究

马万里

（山西晋能控股煤业，山西 大同 037000）

0 引言

万杰煤业为整合矿井，开采范围内存在有多个煤炭产量在20万t/a以下的小煤窑，矿井回采的2号煤层的上层煤被小煤窑采取刀柱式方式进行开采（采高约2 m），下层煤被遗弃（厚度约4 m）。复采2号煤层拟采用综放开采方式，受小煤窑开采采空区、残留煤柱等因素影响，复采工作面内矿压显现更趋复杂，从而增加采场顶板控制难度[1~3]。万杰煤业2号煤层复采时，应在掌握工作面矿压显现规律基础上，选择合理的液压支架对工作面顶板加以支护，才能保证采场的安全，进而实现正常生产。

1 工程概况

万杰煤业复采的2号煤层回采工作面位于小煤窑开采破坏区，2号煤层原始厚度为4.10～6.30 m，倾角2°~5°，赋存较为稳定，具体顶底板岩性见图1所示。2号煤层复采拟采用综放开采方式，为了确保采面顶板稳定，采煤高度控制在2 m，采放比初步确定为1∶1。

图1 2号煤顶底板岩性

小煤窑开采后形成的老空区及遗煤情况如图2所示。根据2号煤层上部采空区、煤柱位置关系，复采工作面顶板类型可分为顶煤+老空区、顶煤+煤柱两种类型。当顶板类型为顶煤+老空区时，此时顶板一般较为破碎，在回采过程中可能会出现一定的漏顶问题，但是顶板压力相对较小。当顶板类型为顶煤+煤柱时，顶煤裂隙一般不发育，若煤柱宽度较大（10 m以上）则一般顶板岩层较为稳定，但也存在顶板应力集中问题，容易出现煤壁片帮、冒顶事故；若顶板煤柱宽度较小（10 m以下）由于煤主内裂隙发育，基本丧失支撑作用，顶板应力集中不明显。

图2 2号煤层老空区及遗煤状况示意图

2 复采工作面矿压显现分析

2.1 相似模拟

利用相似材料模拟试验可以直观了解遗煤复采工作面推进过程中顶板岩层的移动、破断规律，了解采动对顶板岩层的影响范围。针对万杰煤业2号遗煤的开采情况，为尽可能使刀柱式开采对顶板的已有影响反映在试验中，加快显示开采造成的顶板影响范围，制作相似模型时模拟刀柱式开采时煤柱与采空区尺寸比为1∶6，模型中模拟采空区跨度尺寸为5 m。

相似模拟确定的几何相似比为0.02，容重相似比为0.6，弹性模量相似比为0.012，载荷相似比为4.8×10-6，时间相似比为0.14，制作相似模拟模型规格为2.0 m×1.2 m×0.16 m。

相似材料模拟试验模型如图3（a）所示,随着复采工作面的推进，2号煤层顶板活动范围变化情况如图3（b）～（d）。相似材料模拟试验结果显示，对采煤工作面造成影响的岩层为2号煤层之上13.33 m范围以内的岩层，其中煤层上方8.05 m的泥岩起主导作用，是形成工作面来压主控岩层。

图3 相似模拟示意图

2.2 理论分析

万杰煤业2号煤层老窑采空区上覆岩层是否稳定，除了取决于老空区残留煤柱是否稳定外，还取决于上覆岩层的极限垮距[4~6]。根据固支梁模型，采空区基本顶承受qD载荷时，基本顶极限垮距l为[7]：

式中：hD为岩梁厚度，σt为岩梁的抗拉强度。

根据简支梁模型，梁断裂的极限垮距为[8]：

按照悬臂梁模型，基本顶周期破断步距l2为[9]：

从2号煤层综合柱状图以及相似模拟结果得出，煤层上覆8.05 m厚的泥岩顶板（第1层）控制2号煤层复采工作面矿压显现。经计算可知，煤层顶板对第1层岩形成的载荷集度qD为312 kPa。按照式（1）计算得到的第一层顶板极限跨距约为36.69 m，依照式（2）计算得到的第一层顶板极限跨距为29.95 m，依照式（3）算得的周期破断步距为14.98 m。

3 复采工作面支护强度数值模拟分析

利用数值模拟软件FLAC3D对复采工作面矿压显现进行分析，并对支架支护强度进行优选。

数值模拟原型以万杰煤业2号煤的实际复采情况建立。模拟煤层厚度6.30 m，上部2 m已经过刀柱式开采。在工作面煤壁和顶底板中间设测点用以监测煤壁及顶板变形。

在采面过老空区、煤柱时，分别在空顶距为4 m的范围内沿工作面对顶板分别施加0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa和0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa的支护力，计算顶板不同位置的下沉量，用以确定支护强度与顶板下沉量之间的关系。具体过采空区以及煤柱期间顶板下沉量变化曲线分别见图4、图5。

图4 过煤柱时支架支护阻力与顶板下沉关系曲线

图5 过空区时支架支护阻力与顶板下沉关系曲线

工作面顶板合理的工作阻力合理平衡支护投入以及顶板控制。由图4可知，煤柱下复采工作面支架合理支护强度应是0.4～0.5 MPa，取中间值0.45 MPa，可知空顶距范围内的合理支护阻力是1 800 kN/m。

由图5可知，老空区下复采工作面支架合理支护强度应为0.05～0.07 MPa，取中间值0.06 MPa，可知控顶距范围内的合理支护阻力是240 kN/m。

老空区如果属于未完全垮落或完全垮落状态，工作面合理的支护阻力分别为1 200 kN/m和1 600 kN/m，均介于上述2种情况之间。

总体上看，复采工作面在老空区下的工作阻力变化范围为240～1 600 kN/m，复采工作面在残留煤柱下的工作阻力约为1 800 kN/m。单架液压支架的架宽一般为1.5 m，则复采工作面在老空区下的工作阻力变化范围为360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力约为2 700 kN/架。

4 总结

1）对采煤工作面造成影响的岩层为2号煤层之上13.33 m范围以内的岩层，其中煤层上方8.05 m的泥岩起主导作用，是形成工作面来压的主控岩层。顶板初次、周期破断步距分别为29.95～36.69 m、14.98 m。

2）复采工作面过残留煤柱时，如果控顶距为4.0 m，则支架初撑力最小为1 049 kN/m，支架宽度为1.5 m时，液压支架初撑力为每架1 573 kN；过老空区时，如果控顶距为4.0 m，则液压支架需要提供的初撑力不宜超过814 kN/m，支架宽度为1.5 m时，则液压支架初撑力最大为1 221 kN/架。

3）控顶距为4.0 m时，复采工作面在老空区下的工作阻力变化范围为240～1 600 kN/m，复采工作面在残留煤柱下的工作阻力约为1 800 kN/m。单架液压支架的架宽一般为1.5 m，则复采工作面在老空区下的工作阻力变化范围为360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力约为2 700 kN/架。