大采高綜采工作面上覆巖層移動規(guī)律及圍巖控制研究

肖學

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030053）

大采高綜采工作面上覆巖層移動規(guī)律及圍巖控制研究

肖學

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030053）

通過大采高采場的覆巖結構、力學模型、應力分布數(shù)值模擬、結合相似材料物理模擬試驗等手段，揭示了大采高綜采工作面圍巖移動變形規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出了工作面推進過程中頂板管理、煤壁片幫控制等關鍵技術方案，為支架工作阻力確定及架型選擇提供依據(jù)，為建成年產1 000萬t綜采示范工作面奠定技術基礎。

綜采工作面；上覆巖層；移動規(guī)律；圍巖控制

1 示范工作面的基本情況

18105 工作面位于斜溝礦964水平11采區(qū)回風下山北部，東側北半部為18103工作面采空區(qū)、南半部為實煤區(qū)，西為18107采空區(qū)，北為集中材料下山。地面標高：+990 m～1185 m，工作面標高+855 m～914m。工作面埋深約300m。煤層總厚5.0m～6.4 m、平均6.0 m，煤層傾角6°～10°、平均8°，可采儲量9.755Mt，煤體較硬，f=2～3。工作面長度300m，工作面推進長度3500 m。煤層老頂為10.30 m～18.92m厚灰白色中粗粒砂巖,直接頂為0～1.35 m厚灰黑色泥巖,直接底為0～1.60m厚灰黑色砂質泥巖，老底為8.62m～18.03m厚中細粒砂巖。

2 18105工作面大采高采場應力分布數(shù)值模擬

根據(jù)斜溝煤礦8號煤層首采區(qū)地質概況建立模擬模型，采用FLAC拉格朗日差分快速分析（Fast Lagrangian Analysis of Continua）軟件，解析大采高工作面頂板應力分布及變形規(guī)律。根據(jù)斜溝煤礦煤層及頂?shù)装鍘r層、現(xiàn)場實際情況、相關資料，確定模型材料的力學參數(shù)。模擬結果：經(jīng)對斜溝煤礦8號煤層工作面前方支承壓力、圍巖采場結構等分析，得出以下初步結論：（1）支承壓力峰值平時距工作面5m左右，來壓時減小為2m左右。（2）超前支承壓力在工作面推進50 m時出現(xiàn)，最大值為27 MPa。（3）來壓時，直接頂下沉量增大。

3 18105工作面大采高采場結構的相似模擬研究

（1）相似模擬實驗：研究斜溝煤礦8號煤層開采時的煤巖移動和破壞規(guī)律、工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、工作面前方支承壓力分布規(guī)律等。根據(jù)斜溝煤礦提供的首采區(qū)鉆孔資料、現(xiàn)場鉆孔取芯、井下取樣測定的各巖層與煤的物理力學參數(shù)，開采煤層深度選取8號煤層的平均埋藏深度300 m；試驗選用長×寬×高為3 000 mm×200 mm×3 000 mm的大型應變剛性加載試驗裝置。

（2）經(jīng)對斜溝煤礦8號煤層大采高模擬試驗結果及其分析，得出頂板垮落規(guī)律：①工作面推進50 m時，頂板由于懸空距達到一定程度初次垮落，在大采高工作面，垮落后的巖層并不能完全充填采空區(qū)。②直接頂?shù)钠骄迓浣菫?5°。③工作面推進過程中，直接頂隨采隨落，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?0m。④平均周期來壓步距為10.7m，周期來壓明顯。⑤工作面推進到98 cm時，直接頂厚度相對于煤層而言較薄，隨采隨冒。⑥工作面推進60 m時，頂板下沉量隨工作面繼續(xù)推進的變化規(guī)律：見圖1，頂板下沉量隨工作面推進距離的增大而增大；且在離工作面較高的巖層，頂板下沉量小于頂板上覆較近層，頂板上覆巖層受采動影響下沉速度變化大。⑦工作面前方支承應力分布規(guī)律：圖2表示測點縱向應力隨工作面推進的變化規(guī)律，由圖可知，支承壓力峰值在工作面前方5m左右。

圖1 頂板下沉量隨開采推進的變化

4 結論

通過實驗室物理相似模擬試驗，對斜溝煤礦8號煤層上覆巖層移動規(guī)律進行分析研究，得出以下結論：（1）試驗條件下，大采高初次來壓步距一般為50m左右，周期來壓為10m左右。（2）大采高綜采采場受超前支承壓力影響，煤壁容易發(fā)生片幫，應采取控制措施；（3）大采高工作面對支架性能要求高、工作阻力要求大，通過試驗得到斜溝礦8號煤層大采高工作面開采所需支架工作阻力應在10 000 kN以上。（4）支架與圍巖的作用關系：綜合18105工作面大采高的數(shù)值模擬、實驗室相似模擬、現(xiàn)場實測結果，該工作面支架-圍巖關系的支架使用情況評估如下：①18105工作面采用的ZY12000/28/64D架型能滿足工作面圍巖控制要求。②支架工作阻力達120 00kN，根據(jù)正常狀態(tài)估算，該工作阻力富裕系數(shù)較大，據(jù)礦壓顯現(xiàn)觀測，仍能滿足頂板支護要求，未影響高效生產；如果加強初撐力的管理，支架工作阻力富裕系數(shù)還可提高，總之支架的工作阻力設計是合理的。③該套支架的成功使用，證明了按給定載荷設計大采高支架工作阻力的正確性，但必須考慮特定條件下的上覆巖層移動規(guī)律。

Overburden Strata Movement law and Surrounding Rock Control on Large-mining-height Fully-mechanized Working Face

XIAO Xue
(Shanxi Xishan Jinxing Energy Co.,Taiyuan Shanxi 030053)

Through numerical simulation of overburden strata structure,mechanical model,and stress distribution,together with physical simulation experiment of similar materials,surrounding rock movement and deformation law and mine pressure behavior law were discovered.The paper presented roof management in the driving process,side-wall control,and other key technology,which could not only provide evidence for working resistance determination and support selection but also lay the technology foundation for the building of10-million-ton demonstration working face.

fully-mechanized working face;overburden strata;movement law;surrounding rock control

TD322

A

1672-5050（2012）11-0053-02

2012-08-09

肖 學（1979—），男，山西晉城人，大學本科，工程師，從事煤炭開采技術管理工作。

圖2 支承應力分布簡圖

劉新光