超长大采高工作面矿压特征影响因素分析.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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★煤炭科技开拓与开采★ 超长大采高工作面矿压特征影响因素分析＊李志华１，２华心祝２杨科２朱若军３周德生３（１．安徽理工大学矿业工程博士后流动站，安徽省淮南市，２３２００１；２．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽省淮南市，２３２００１；３．国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿，安徽省阜阳市，２３６２３５）摘要采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件模拟了超长大采高俯斜工作面顶板下沉量及工作面超前支承压力分布规律，并在此模型的基础上，通过调整采高、面长、采深，对比分析了超长大采高工作面矿压显现特征与常规工作面的差异。研究结果表明刘庄矿１７１３０１大采高综采工作面超前支承压力影响范围大，达到６０ｍ；顶板最大下沉量随着采深、面长的增大而增大，增大幅度逐渐减小，随着采高的增大而急剧增大；工作面支承压力峰值随着采深的增大而增大，随采高的增大而减小，峰值位置均向煤壁前方发生迁移；工作面面长对支承压力影响不显著，所以在其他条件不变的情况下，增加面长矿压显现变化不大。关键词超长工作面大采高工作面矿山压力采高数值分析顶板下沉量中图分类号ＴＤ３２３文献标识码Ａ＊基金项目国家自然科学基金项目（５１１７４００２，５１０７４００３）；安徽理工大学博士科研启动基金资助项目（１１０５７）；安徽理工大学青年科学研究基金资助项目Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｓｔｒａｔａｂｅｈａｖｉｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅＬｉＺｈｉｈｕａ１，２，ＨｕａＸｉｎｚｈｕ２，ＹａｎｇＫｅ２，ＺｈｕＲｕｏｊｕｎ３，ＺｈｏｕＤｅｓｈｅｎｇ３（１．ＰｏｓｔＤｏｃｔｏｒＳｔａｔｉｏｎｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ，Ａｎｈｕｉ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＳａｆｅｔｙａｎｄＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｔＭｉｎｉｎｇＣｏ－ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ，Ａｎｈｕｉ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；３．ＬｉｕｚｈｕａｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ，ＳＤＩＣＸｉｎｊｉＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｕｙａｎｇ，Ａｎｈｕｉ２３６２３５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＦＬＡＣ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｒｏｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｉｎｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｏｆａｄｖａｎｃｅｄａｂｕｔｍｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｍｏｄｅｌ，ｔｈｒｏｕｇｈａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ，ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｓｔｒａｔａｂｅｈａｖｉｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｅｔｗｅｅｎｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｎｏｒｍａｌｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄａｂｕｔｍｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ１７１３０１ｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｏｆＬｉｕｚｈａｎｇＭｉｎｅｈａｓａｌａｒｇｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｒａｎｇｅｕｐｔｏ６０ｍ；ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒｏｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｌｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｉｎ－ｃｒｅａｓｉｎｇ－ａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｗｈｉｌｅｉｔｓｈａｒｐｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ；ｔｈｅｐｅａｋｏｆｆａｃｅａｂｕｔｍｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｉｎｉｎｇｄｅｐｔｈ，ｗｈｉｌｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ，ａｎｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅａｋｔｒａｎｓｆｅｒｓｔｏｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｃｏａｌｗａｌｌ；ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｌｅｎｇｔｈｏｎａｂｕｔｍｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｖｅｒｙｆｅｅｂｌｅ，ｓｏ，ｔｈｅｓｔｒａｔａｂｅｈａｖｉｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｃｈａｎｇｅｌｉｔｔｌｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｌｅｎｇｔｈｗｈｅｎｋｅｅｐｉｎｇｏｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｖａｒｉａｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｕｐｅｒ－ｌｏｎｇｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｌａｒｇｅｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｓｔｒａｔａｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｍｉｎｉｎｇｈｅｉｇｈｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｒｏｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ国投新集刘庄煤矿１７１３０１工作面位于刘庄煤矿西三１３－１煤采区，为西区首采工作面。开采标高为－５１５．７～－６８１．２ｍ。工作面为倾向长壁布１５超长大采高工作面矿压特征影响因素分析＊置，工作面倾向长为１２８５ｍ，切眼长３００ｍ，煤层倾角５～９，平均倾角７；煤层厚度４．３０～６．３０ｍ，平均厚度５．１４ｍ。煤质以气煤为主，普氏系数为２．７～３．７。面长加大后，工作面覆岩的破坏与运动规律将发生改变，即工作面覆岩的宏观结构及其稳定性产生变化，导致工作面矿压显现规律不一样。本文以刘庄煤矿１７１３０１超长大采高综采工作面煤层地质条件为背景，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件研究了超长大采高工作面顶板下沉量及工作面支承压力分布规律，并在此模型的基础上，通过调整采高、面长、采深，对比分析了超长大采高工作面矿压显现规律与常规工作面的差异。１计算模型构建根据实际的煤层埋深以及岩层分布情况建立数值计算模型。模型在空间上分ｘ、ｙ、ｚ三个方向，与实际的开采情况比较，工作面推进方向在模型中为ｘ方向，工作面走向方向为ｙ方向，竖直方向为ｚ方向，整个模型在空间尺寸上ｘ方向５００ｍ，ｙ方向５００ｍ（ｘ和ｙ组成水平面），ｚ方向为２６０ｍ。整个模型由８０６４００个单元与８３６３８１个结点组成。模型计算采用摩尔－库仑准则计算。工作面采用ＺＺ１３０００－２７／６０型支撑掩护式支架，支架最大控顶距６．１０ｍ，支护强度１．２９ＭＰａ。本次数值模拟岩层属性参照１７１３０３工作面轨道巷６＃钻场取芯钻孔成果图，岩层力学属性依据实验室测试结果。２超长大采高工作面矿压显现特征２．１工作面支承压力分布规律模拟工作面净面长３００ｍ，采高６ｍ，采深６２４ｍ。为了研究工作面超前支承压力分布特征，从工作面煤壁开始，在工作面中部沿煤层倾向做一条观测线，提取该观测线上各单元的垂直应力，便可反映出工作面超前支承压力分布特征，如图１所示。在煤壁前方距离煤壁６０ｍ以外范围内，支承压力变化不是很明显；在煤壁前方４０～６０ｍ范围内，支承压力逐渐上升，说明开始受到采动影响。在煤壁前方３０～４０ｍ范围内，该段应力急剧上升。应力峰值范围为２０～３０ｍ，应力峰值达到２４．１５ＭＰａ，应力集中系数达到１．５８（原岩应力１５．２８ＭＰａ），应力峰值位置距煤壁２５ｍ。图１工作面超前支承压力分布图２．２顶板下沉量变化规律图２是工作面开采导致的岩体运动矢量图，图中箭头方向代表了岩体位移方向，箭头长短代表了位移大小。从图２中可知煤层的开挖会引起顶板岩层的迅速下沉。图２岩体位移矢量图从实质上讲，采场围岩控制的关键在于工作面顶板下沉量要控制在一定范围内，保证支柱具有行程，工作面支架不被压死。通过监测沿工作面方向距离工作面煤壁６．０ｍ处的顶板下沉量，即支架顶梁末端的垂直位移，再根据顶板下沉量与监测点距带式输送机巷的距离，就可以得到采场顶板下沉量关系曲线，见图３。从图３可以看出，由于１７１３０１工作面为倾斜长壁工作面，工作面两条巷道埋深一样，所以，采场顶板下沉量呈对称出现，顶板下沉量随着距回采巷道距离的增大而不断增加，距离回采巷道０ｍ、２０ｍ时顶板下沉量约为２３０ｍｍ。当测点距离回采巷道大于２０ｍ后，顶板下沉量急剧增加，当测点距离巷道大于１００ｍ后，顶板下沉量基本保持不变；当测点距离机巷１５０ｍ，即在工作面中部时，顶板下沉量增加到最大值８１８．０８ｍｍ。１７１３０１工作面煤层平均总厚度５．３４ｍ，采用ＺＺ１３０００－２７／６０型支撑掩护式液压支架，所以当顶板下沉量大于２．６４ｍ时，支架立柱才会２５中国煤炭第３９卷第１期２０１３年１月无行程。从图３中可以看出无论是在工作面的两端头还是在中部，支架都不会被压死。图３采场顶板下沉量变化曲线３采深对采场矿压显现的影响１７１３０１工作面为倾斜长壁工作面，工作面在回采过程中，由浅部开采到深部时矿压显现特征不一致。以初始模型为基础，分析了采深对工作面矿压显现特征的影响。模型重新调整原则为工作面面长不变，采高不变，岩层物理、力学属性保持不变，仅改变采深。重建２个模型，采深分别为５４２ｍ、６２４ｍ（已在初始模拟中模拟）、７０７ｍ。图４采深对顶板下沉量的影响图４为不同采深顶板下沉量的关系曲线。可以看出，１７１３０１倾斜长壁工作面由浅部开采到深部时，在工作面中部时，顶板下沉量均达到最大值。当采深为５４２ｍ时，顶板最大下沉量为６４４．１５ｍｍ；当采深为７０７ｍ时，顶板最大下沉量逐渐增加到９０２．０９ｍｍ。在采高、工作面面长等条件不变的情况下，顶板最大下沉量随着采深的增大而增大，但是增大幅度逐渐减小。图５采深对工作面超前支承压力的影响图５为不同采深工作面超前支承压力变化曲线。１７１３０１工作面由浅部开采到深部时，在煤壁附近，由于受到的原岩应力增加，煤体已经发生破坏，承载能力降低，支承压力峰值降低。而在工作面前方１５ｍ以外，煤体又由塑性区过渡到弹性区，承载能力增大，工作面煤层埋深越大，形成的支承压力峰值越大，峰值位置向煤壁前方发生迁移。４采高对采场矿压显现的影响模型重新调整原则为工作面面长不变，采深不变，岩层物理、力学属性保持不变，仅改变采高。重建３个模型，采高分别为２ｍ、３ｍ和４．５ｍ。图６为不同采高顶板下沉量变化曲线，可以看出，工作面采高由２．０ｍ增加到６．０ｍ时，顶板下沉量逐渐增加，在工作面两端头顶板下沉量随采高的增加逐渐增加，当测点距离回采巷道大于２０ｍ后，顶板下沉量随采高的增加而急剧增加，采高越大，顶板下沉量增加幅度越大，在工作面中部时，顶板下沉量均达到最大值。在采深、工作面面长等条件不变的情况下，顶板最大下沉量随着采高的增大而增大，而且采高越大，顶板下沉量增大幅度越大。图７为不同采高工作面超前支承压力变化曲线。采高越大，形成的支承压力峰值距离工作面煤壁越３５超长大采高工作面矿压特征影响因素分析＊远。在煤壁处，采高越大，支承压力峰值越小。５工作面面长对采场矿压显现的影响模型重新调整原则为工作面采高不变，采深不变，岩层物理、力学属性保持不变，仅改变面长。重建４个模型，面长分别为１５０ｍ、２００ｍ、２５０ｍ和３５０ｍ。图８面长对顶板下沉量的影响图８为不同面长顶板下沉量变化曲线，可以看出，采场顶板下沉量随着工作面面长的增加而逐渐增加，在工作面两端头顶板下沉量随面长的增加基本保持不变，当测点距离回采巷道大于２０ｍ后，顶板下沉量随面长的增加而逐渐增加，但增大幅度逐渐减小。在工作面中部时，顶板下沉量均达到最大值。图９面长对工作面超前支承压力的影响当工作面面长为１５０ｍ时，顶板最大下沉量为３２９．５４ｍｍ；当面长增加到３００ｍ时，顶板最大下沉量迅速增加到８１８．０８ｍｍ；面长再增加３５０ｍ时，顶板最大下沉量仅增加到８４９．６５ｍｍ。所以，在采高、采深等条件不变的情况下，顶板最大下沉量随着面长的增大而增大，但是增大幅度逐渐减小。当面长超过３００ｍ后，顶板最大下沉量基本保持不变。图９为不同面长工作面超前支承压力变化曲线，从图９中可以看出４条曲线基本重合，说明面长发生变化后，工作面超前支承压力变化不明显。６结论（１）大采高俯斜综采工作面超前支承压力影响范围大，达到６０ｍ，所以在工作面回采期间，应加大超前支护范围，刘庄矿１７１３０１工作面超前支护范围应加大到６０ｍ。采场顶板下沉量呈对称出现，在工作面中部时，顶板下沉量达到最大值。（２）采场顶板最大下沉量随着采深的增大而增大，但是增大幅度逐渐减小。采深越大，形成的支承压力峰值越大。（３）采场顶板最大下沉量随着采高的增大而急剧增大。采高越大，工作面支承压力峰值距离工作面煤壁越远，支承压力峰值越小。（４）采场顶板最大下沉量随着面长的增大而增大，但是增大幅度逐渐减小。当面长超过３００ｍ后，顶板最大下沉量基本保持不变。面长对工作面支承压力影响不明显。参考文献［１］谢广祥，华心祝，杨科．极复杂煤层条件下倾斜长壁大采高综采技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２００７（３）［２］刘胜志，杨小彬．大采高工作面矿压显现规律数值模拟研究［Ｊ］．中国煤炭，２０１１（１２）［３］代贵生，范文胜．７ｍ大采高综采工作面贯通方法实践［Ｊ］．中国煤炭，２０１２（３）［４］王鑫，杨明亮．超长工作面矿山压力显现规律数值模拟研究［Ｊ］．山西煤炭，２０１１（２）［５］黄炳香，刘长友等．超长孤岛综放工作面煤柱支承压力分布特征研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００７（６）［６］曹胜根，缪协兴．超长综放工作面采场矿山压力控制［Ｊ］．煤炭学报，２００１（６）［７］缪协兴，钱鸣高．超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３（１）［８］鞠金峰，许家林，王庆雄．大采高采场关键层 “ 悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响［Ｊ］．煤炭学报，２０１１（１２）［９］司荣军，王春秋，谭云亮．采场支承压力分布规律的数值模拟研究［Ｊ］．岩土力学，２００７（２）作者简介李志华（１９８１－），男，陕西省汉中市人，副教授，工学博士，从事矿山压力及冲击矿压方面的研究。（责任编辑张毅玲）４５中国煤炭第３９卷第１期２０１３年１月

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