不同采煤方法開采深部厚煤層超前支承壓力對(duì)比分析?

李春睿（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013）

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不同采煤方法開采深部厚煤層超前支承壓力對(duì)比分析?

李春睿
（天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013）

摘 要深部厚煤層開采深度大、工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，利用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合試驗(yàn)工作面的實(shí)際條件，研究了分層開采和綜放開采時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況。研究結(jié)果表明兩種開采方法的高低應(yīng)力分區(qū)特征基本相同，但超前支承壓力峰值不同：上分層開采超前支承壓力峰值大于下分層開采超前支承壓力峰值大于綜放開采超前支承壓力峰值，且綜放開采的超前支承壓力峰值深入煤壁的距離較大，能夠有效降低工作面煤壁前方的應(yīng)力集中程度。

關(guān)鍵詞深部開采 厚煤層 圍巖應(yīng)力分布 采煤方法

隨著煤礦開采向深部發(fā)展，開采過程中遇到的技術(shù)難題之一是工作面礦壓顯現(xiàn)越來越強(qiáng)烈，為了解決這一難題，本文利用數(shù)值模擬的方法對(duì)分層開采和綜放開采過程中工作面的超前支承壓力分布情況進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了顯著效果。

1　工作面概況

試驗(yàn)工作面所采煤層為近水平煤層，煤層厚度為6.3 m，工作面走向長(zhǎng)度為2200 m，傾斜長(zhǎng)度為150 m，埋深約為850 m，工作面頂?shù)装鍘r性和厚度如表1所示。

與試驗(yàn)工作面相同煤層的其他工作面均采用分層開采，開采過程中發(fā)現(xiàn)存在的主要問題為工作面埋深大，礦壓顯現(xiàn)非常劇烈，煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，易發(fā)生片幫漏頂事故，處于工作面超前支撐壓力影響范圍內(nèi)的回采巷道變形嚴(yán)重，阻礙了工作面設(shè)備的正常推進(jìn)，需要超前工作面30 m進(jìn)行巷道擴(kuò)幫。為了解決這一難題，本文研究綜放開采和分層開采對(duì)工作面超前支承壓力的影響，進(jìn)而確定試驗(yàn)工作面的合理采煤方法。

表1　工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2　不同采煤方法圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

為了研究綜放開采和分層開采對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)的影響，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別模擬兩種開采方法條件下圍巖應(yīng)力分布情況。

根據(jù)試驗(yàn)工作面的煤巖層綜合柱狀圖建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，為了減少模擬運(yùn)算量，將其中巖性相近的巖層合并后按一層處理，模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。采用等效載荷代替模型上方未模擬的巖層，模型底面和4個(gè)立面采用固定法向位移約束，頂面采用根據(jù)埋深計(jì)算后的等效載荷約束。

表2　模型中各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 分層開采超前支承壓力分布

模擬分層開采時(shí)將煤層分為上下兩層開采，先采上分層3 m厚的煤層，待上分層采完且圍巖穩(wěn)定后再采下分層3 m厚的煤。建模過程中，通過降低上位煤層的彈性模量到原來的1/8，來模擬開采下分層時(shí)煤層上方垮落的巖石。為了觀測(cè)開采過程中圍巖應(yīng)力的變化情況，在煤層中沿工作面走向每隔1 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿工作面傾向位于工作面中部，垂直方向上位于采高的中間位置，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同開采方法工作面超前支承壓力分布曲線

分析曲線可知，開采頂分層時(shí)，超前支承壓力煤壁前方3 m處出現(xiàn)峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為1.9，峰值壓力達(dá)到46.8 MPa。開采底分層時(shí)，超前支承壓力在工作面前方4 m處出現(xiàn)峰值，應(yīng)力集中系數(shù)1.6，峰值壓力為40.8 MPa。采用分層開采深部厚煤層時(shí)在煤壁與超前支承壓力峰值之間其超前支承壓力隨著離煤壁距離的增加升高速度較快。

2.2.2 綜放開采超前支承壓力分布

為了研究不同采放比對(duì)工作面超前支承壓力的影響，模擬4種開采方案。方案1的采放比為1∶5，方案2的采放比為1∶2，方案3的采放比為1∶1，方案4的采放比為1∶0.5。觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置同分層開采，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。當(dāng)采放比為1 ∶5時(shí)，超前支承壓力峰值為37.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.44；當(dāng)采放比為1∶2時(shí)，超前支承壓力峰值為37.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.44；當(dāng)采放比為1∶1時(shí)，超前支承壓力為38.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.47；當(dāng)采放比為1∶0.5時(shí)，超前支承壓力為38.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.48。由綜合對(duì)比分析可知，綜放開采時(shí)超前支承壓力峰值基本不受采放比的影響。因此，采用綜放開采厚度一定的同一煤層時(shí)，工作面采高的確定不需考慮對(duì)超前支承壓力的影響。

2.2.3 不同開采方法工作面超前支承壓力分布對(duì)比

采用分層開采、綜放開采（割煤高度為3 m）時(shí)工作面煤壁前方支承壓力的對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2　不同采煤方法初采期間煤體應(yīng)力對(duì)比圖

通過對(duì)比分析可知，各采煤方法高低應(yīng)力分區(qū)特征基本相同，但超前支承壓力峰值的大小不同:上分層開采超前支承壓力峰值大于下分層開采超前支承壓力峰值大于綜放開采超前支承壓力峰值；且峰值深入煤壁的距離也不同，綜放開采超前支承壓力峰值距煤壁距離大于上分層開采超前支承壓力峰值距煤壁距離大于下分層開采超前支承壓力峰值距煤壁距離。可見相比分層開采，采用綜放開采時(shí)超前支承壓力峰值位置更加深入煤壁且應(yīng)力集中系數(shù)較小，有助于降低工作面煤壁片幫程度，有助于降低巷道在超前支承壓力區(qū)域的變形量。因此，試驗(yàn)工作面確定采用綜放開采。由于綜放開采時(shí)采放比對(duì)超前支承壓力影響不大，確定采高時(shí)無需考慮對(duì)超前支承壓力的影響，結(jié)合本礦現(xiàn)有設(shè)備情況確定采高為3 m。

3　不同采煤方法圍巖應(yīng)力分布的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了檢驗(yàn)研究結(jié)果的正確性，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)綜放試驗(yàn)工作面和分層開采工作面（采上分層，采高3 m）的超前支承壓力大小及影響范圍進(jìn)行檢測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3　綜放試驗(yàn)工作面與分層開采工作面超前支承壓力分布

對(duì)比分析實(shí)測(cè)結(jié)果，相比于分層開采，綜放開采超前支承壓力峰值較低，且峰值距離工作面煤壁較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)論一致。在實(shí)際開采過程中，與本煤層采用分層開采的工作面相比，綜放試驗(yàn)工作面礦壓顯現(xiàn)不明顯，煤壁片幫程度較低，巷道變形較小，無需進(jìn)行超前擴(kuò)幫。

綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，開采深部厚煤層時(shí)，綜放開采與分層開采相比能從一定程度上降低超前支承壓力峰值大小并使峰值位置更深入煤壁，有利于降低應(yīng)力集中程度，進(jìn)而緩解了工作面的礦壓顯現(xiàn)程度。

4　結(jié)論

（1）對(duì)于同一煤層采用綜放開采時(shí)，割煤高度的變化不會(huì)引起超前支承壓力峰值的顯著變化，因此，割煤高度對(duì)工作面超前支承壓力區(qū)域的巷道變形情況影響不明顯。

（2）采用不同的采煤方法時(shí)，超前支承壓力的峰值大小不同:上分層開采大于下分層開采大于綜放開采；且峰值位置深入煤壁的距離不同:綜放開采大于上分層開采大于下分層開采。

（3）相比分層開采，綜放開采有利于減弱工作面煤壁片幫，降低巷道在超前支承壓力區(qū)域的變形量，更適用于深部厚煤層開采。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Contrastive analysis of advanced bearing pressures in the mining process of deep and thick seam with different mining methods

Li Chunrui
（Coal Mining& Designing Department，Tiandi Science& Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

AbstractThere was fierce strata behaviors in working face of deep and thick seam，based upon the actual conditions of test working face，the stress distributions in surrounding rocks when using slicing mining method and fully mechanized caving method were studied by numerical simulation software FLAC3D.The results showed that the two kinds of mining methods had basically the same stress distribution characteristics，while the peaks of advanced bearing pressures were different. The peak of advanced bearing pressure when higher slicing mining was bigger than that when lower slicing mining，while the peak of advanced bearing pressure when fully mechanized caving mining was smaller than that when lower slicing mining and the peak position was farther from the coal wall，which could effectively reduce the stress concentration degree in front of the coal face.

Key wordsdeep mining，thick coal seam，surrounding rock stress distribution，coal mining method

中圖分類號(hào)TD823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目：?中國(guó)煤炭科工集團(tuán)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2013QN006）

作者簡(jiǎn)介：李春睿（1979－），男，吉林九臺(tái)人，副研究員，博士，2003年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)從事礦壓與圍巖控制研究工作。