朔南矿区特厚煤层超长综放工作面矿压显现规律研究_金宝圣.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 放顶煤开采工艺是我国针对特厚煤层的主要的 开采方式， 具有单产高， 效率高， 掘进率低等特点[1-3]。 研究放顶煤矿压显现规律对安全高效开采具有重要 意义。大量的学者对放顶煤工作面矿压规律展开了 研究， 均取得有益的成果。陈锋等[4]对放顶煤工作面 液压支架工作阻力和端头顶板下沉量观测，探讨了 综放工作面矿压显现规律和围岩活动特征；刘正和 等[5]采用理论计算和现场实测的方法研究了大采高 综放条件下上覆岩层结构及运动特征；掌握工作面 的初次来压、 周期来压规律， 探讨了支架-围岩关系 及优化液压支架选型。孟海东等[6]采用 FLAC3D对综 放开采矿压显现规律进行数值模拟分析，提出了合 理的支架阻力和互帮阻力参数； 刘全明等[7]采用相 似模拟试验和现场观测相结合的方法，研究了浅埋 深条件下覆岩结构对综放工作面矿压显现规律的影 响， 认为综放工作面覆岩以 “悬臂梁铰接岩梁拱” 的结构形式存在。在超长工作面综放开采研究方 面， 张连勇[8]在大量实测数据的基础上， 对其顶板的 运动规律、 支架的适应性、 工作面煤壁的矿压显现及 工作面上下煤巷超前支承压力分布情况等进行较为 系统的分析； 王哲等[9]利用弹塑性理论和数值模拟 确定了超长综放工作面的支撑压力峰值及位置， 确 定了顶板的来压步距。马钱钱等[10]采用实验室相似 模拟的方法研究超长综放工作面的基本顶破断特 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.045 朔南矿区特厚煤层超长综放工作面 矿压显现规律研究 金宝圣， 王爱午， 黄志栋， 张杰 （同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司， 山西 朔州 036000） 摘要 特厚煤层超长工作面综放开采引起的矿压显现规律与传统的岩层移动特征有明显的差 异。为研究超长工作面矿压显现规律， 以麻家梁矿 14201 首采工作面为工程背景， 采用固支梁和 悬臂梁理论、 3DEC 数值模拟以及现场观测的方法对顶板的破断失稳特征开展研究。结果表明 理论计算基本顶的初次来压步距为 62.5 m， 周期来压步距为 25.54 m； 数值模拟初次来压步距约 为 60～70 m， 周期来压步距约为 25 m， 与理论计算结果基本一致； 同时根据现场监测液压支架工 作阻力数据， 进一步验证了研究结果。 关键词 厚煤层； 综放开采； 矿压显现； 来压步距； 工作阻力 中图分类号 TD324文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0203-04 Study on Strata Behavior Law of Fully Mechanized Caving Face in Super-long and Thick Coal Seam in Southern Shuozhou Mining Area JIN Baosheng, WANG Aiwu, HUANG Zhidong, ZHANG Jie （Tongmei Zheneng Majialiang Coal Industry Co., Ltd., Shuozhou 036000, China） Abstract The law of strata behavior caused by fully mechanized caving mining face of super -long and thick coal seam is obviously different from that of traditional strata movement. In order to study the law of strata behavior in super-long working face, taking the first mining face of 14201 in Majialiang Mine as the engineering background, using the theory of fixed beam and cantilever beam, 3DEC numerical simulation and field observation, the characteristics of breaking and instability of roof are studied. The results show that the theoretical calculation of the first weighting interval of the main roof is 62.5 m, the periodic weighting interval is 25.54 m. The numerical simulation shows that the first weighting interval is about 60 m to 70 m and the periodic weighting interval is about 25 m, which is basically consistent with the theoretical calculation results. At the same time, according to the field monitoring data of hydraulic support working resistance, the research results are further verified. Key words thick coal seam； fully mechanized caving mining； strata behavior； weighting interval； working resistance 203 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 114201 工作面布置图 表 1典型的钻孔柱状描述 征。但以往对放顶煤工作面的研究多集中于中厚煤 层，对特厚煤层超长工作面的矿压显现规律研究较 少。而且由于工程地质条件的复杂性，并没有得到 一种普适性的规律来指导现场生产。 麻家梁矿是朔南矿区首个利用放顶煤工艺开采 的矿井，由于煤层厚度大、工作面长而且存在坚硬 顶板，岩层结构复杂，因此开展矿压现象规律研究 非常重要。以麻家梁矿首采工作面为工程背景， 运 用理论分析、数值模拟和现场实测的方法分析了特 厚煤层超长综放工作面开采后的矿压显现规律， 为 朔南矿区矿井的安全开采提供依据。 1工程概况 麻家梁矿主采 4煤层， 14201 工作面是麻家梁 矿首采工作面，采用综合机械化放顶煤开采工艺， 全部垮落法管理顶板。14201 工作面长度 240 m， 走 向推进长度 2 850 m， 埋深平均为 560 m， 煤层厚度 3.5～11.0 m， 平均厚度为 8.28 m， 属于特厚煤层超长 工作面， 工作面布置如图 1。煤层中含 3～5 层夹矸， 夹矸厚 0.10～0.80 m， 平均 0.5 m， 煤层倾角 1～4， 平均为 3。 直接顶为高岭质泥岩， 厚 3.6 m， 无伪顶。 基本顶为 K5 砂岩， 厚 5.6 m， 属于坚硬顶板。 直接底 为黑灰色炭质泥岩， 平均厚度为 0.5 m。 基本底为 K4 砂岩， 平均厚度为 1.9 m。具体岩层分布见表 1。 2基本顶来压步距理论分析 长壁工作面沿推进方向上，基本顶的初次来压 可以简化为在煤壁和切眼边界煤柱两端固定的固支 梁。固支梁的最大弯矩发生在梁的两端，该处拉应 力最大。随着工作面推进， 固支梁的跨距不断增大， 当最大拉应力大于基本顶的极限抗拉强度时，顶板 发生破断产生初次来压[11]。初次来压步距 L1计算公 式见式 （1） 。 L1h 2σt q1■ （1 ） 式中 h 为基本顶的厚度； σt为基本顶的抗拉强 度； q1为基本顶所承受的载荷， 根据关键层理论的岩 层载荷计算方法计算。 基本顶初次破断后，随工作面推进将出现周期 性的破断，此时将基本顶视为悬臂梁结构进行分析 和计算。悬臂梁的最大弯矩在煤壁固定端，煤壁处 拉应力最大， 因此基本顶从煤壁固定端被拉断[12]。 周 期来压步距 L2计算公式见式 （2） 。 L2h （σt 1 5 q2） /3q2 ■ （2 ） 式中 q2为岩梁所承受的载荷。 根据麻家梁矿的地质条件和力学参数，基本顶 厚 5.68 m， 抗拉强度 6.2 MPa， 岩梁承受的均布载荷 q1q2102.52 kPa， 计算得到基本顶的初次来压步距 为 62.5 m， 周期来压步距为 25.54 m。 3顶板破断规律数值模拟分析 3.1建立数值模型 根据麻家梁矿生产地质条件，采用离散元 3DEC 模拟软件建立的 14201 工作面回采的数值模 型如图 2。模型沿工作面推进方向长度为 240 m， 沿 工作面方向长度为 390 m， 竖直方向高度为 150 m， 工作面长度为 250 m。模拟煤层采深为 560 m， 厚度 为 8.5 m。 模型中的岩层分布与麻家梁矿相一致。 模 型底部边界固定， 左右边界水平方向固定， 顶部按照 上覆岩层重量施加载荷。 根据实验室测试的力学参数和相关的地质资 料，模型中所需的块体力学参数和接触面的力学参 岩性厚度/m岩性描述 高岭质泥岩 细砂岩 粗砂岩 K5 砂岩 高岭质泥岩 4 号煤 炭质泥岩 K4 砂岩 细砂岩 4.60 5.68 2.23 5.60 3.60 8.28 0.50 1.90 0.98 具较多植物根部化石， 底部含粉砂质 高岭质细砂岩， 下部含薄层状斜交裂隙 石英燧石为主， 分选磨圆较差， 泥质胶结 石英为主， 分选磨圆中等， 硅泥质胶结 断口粗糙， 具纵张裂隙 2 组 2 条 亮煤为主， 含暗煤， 细条带结构 泥质为主， 含大量炭质， 具植物根部化石 石英为主， 硅泥质胶结 黑色粉砂岩条纹， 脉状层理 204 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 3数值模拟顶板垮落过程 图 2数值模拟模型 表 3块体接触面力学参数 表 2块体力学参数 数见表 2 和表 3。 3.2模拟结果分析 模型开挖与 14201 工作面现场实际情况相同。 随着工作面向前推进，观察不同推进距离下上覆岩 层破断特征。选取沿工作面推进方向的 1 个竖向截 面来分析， 顶板的垮落过程如图 3。 当工作面推进 30 m 时，顶板在靠近工作面侧 上方断裂产生垂直裂缝，顶板断裂后发生旋转下 沉， 如图 3 （a） ； 当工作面向前推进到 50 m 时， 随着 顶板的悬露面积不断增大，失去煤壁支撑作用后出 现台阶下沉现象，但在水平力挤压作用下，与后方 破断顶板形成砌体铰接梁结构，此时基本顶上方的 软弱岩层随之产生同步下沉，但砌体梁结构受到水 平挤压作用并没有产生滑落失稳，仍然没有垮落到 采空区， 如图 3 （b） 。 工作面继续向前推进， 在顶板自 重及上覆岩层的共同作用下砌体铰接梁结构难以保 持稳定状态，工作面推进到 70 m 时后方顶板滑落 失稳， 如图 3 （c） ， 此时工作面顶板发生初次来压， 初 次步距来压步距约为 6070 m。 初次来压之后，顶板的一端在采空区后方成为 自由面。工作面继续推进，由于工作面超前支承应 力的影响，顶板在煤壁前方形成剪切破坏，在顶板 内形成预生裂隙。当工作面推进到 100 m 时，顶板 在煤壁前方出现断裂，产生明显的宏观大裂缝， 如 图 3 （d） 。 随工作面继续回采， 由于采高大、 工作面比 岩层 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 密度/ （t m-3） 内摩擦 角/ （ ） 黏聚 力/MPa 抗拉强 度/MPa 炭质泥岩 K4 砂岩 K5 砂岩 高岭质泥岩 粗砂岩 细砂岩 5 9 15 4 20 8 3 5 9 3 13 5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 26 35 36 25 34 28 1.2 2.2 2.8 1.1 2.5 1.3 1.8 2.6 3.2 1.2 2.8 1.8 岩层 法向刚度 /GPa 切向刚度 /GPa 摩擦角 / （ ） 黏聚力 /MPa 抗拉强度 /MPa 炭质泥岩 K4 细砂岩 煤层 K5 粗砂岩 高领质泥岩 粗砂岩 细砂岩 3 8 5 12 3 15 6 2 5 2 7 1 9 3 15 25 15 35 5 30 15 1.2 2.2 1.2 2.8 0.5 2.5 1.1 0.8 1.4 1.3 2.3 0.3 2.2 1.3 205 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 4液压支架工作阻力变化曲线 较长，而且基本顶下方没有随采随垮的软弱直接 顶，使得顶板运动空间增大，难以形成稳定的铰接 结构，下位坚硬顶板呈悬臂梁的形式，当超过悬臂 梁的承载极限顶板滑落失稳。此后，工作面每推进 25 m 左右， 顶板将出现周期性破断失稳现象。工作 面上方基本顶的周期来压步距约为 25 m， 数值模拟 结果与理论计算相吻合。 4现场观测 在现场的采煤作业中，液压支架的工作阻力对 顶板的来压现象最敏感[13-15]。基于此， 利用液压支架 在线监测系统对 14201 工作面液压支架进行监测。 选择工作面中部 64和下部 118液压支架的压力来 分析， 液压支架工作阻力变化曲线如图 4。 由图 4 （a）可知， 工作面推进到 60 m 时， 中部 64液压支架阻力开始出现锯齿状压力升高， 而且在 高压力 （大于 24 MPa） 范围持续时间较长。 工作面出 现煤壁片帮，机道顶板破碎，支架安全阀开启等现 象， 可证明是初次来压， 来压步距为 60～80 m。由图 4 （b） 可知， 工作面推进在 180～280 m 范围时， 下部 118液压支架阻力出现几次明显的波浪状升高。在 工作面可听到采空区后方的 “蒙墩” 声， 局部范围有 煤壁片帮，可判断是多次周期来压。观测到的 4 次 周期来压， 步距分别为 25、 21、 18、 27 m， 平均周期来 压步距为 22.75 m。因此， 现场观测结果与理论计算 和数值模拟具有较高的一致性。 5结论 1） 利用固支梁和悬臂梁理论对基本顶初次来压 和周期来压进行计算，得出基本顶的初次来压步距 为 62.5 m， 周期来压步距为 25.54 m。 2） 离散元 3DEC 数值模拟分析了基本顶的弯 曲→破断→失稳的破坏过程，模拟得到得出基本顶 的初次来压步距为 60～70 m， 周期来压步距约为 25 m。 3） 现场液压支架阻力观测表明基本顶初次来压 步距 60～80 m， 周期来压步距为 22.75 m， 来压期间 伴随煤壁片帮和顶板破碎，与理论分析和数值模拟 有较好的一致性。 参考文献 ［1］ 王家臣．我国放顶煤开采的工程实践与理论进展 ［J］ ． 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