上提工作面壓架危險性影響因素數(shù)值分析

摘 要：針對提高回采上限工作面易發(fā)生壓架事故，以某礦上提工作面地質(zhì)條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了相應的分析模型，研究了基巖厚度、采高、支架工作阻力、面長、煤層傾角對采場頂板下沉量的影響。結(jié)果表明：上提面壓架危險性隨著基巖厚度、支架工作阻力和煤層傾角的減小而增大，隨著采高和面長的增大而增大。這些結(jié)論可為上提工作面壓架危險性預測及防治提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：提高上限工作面；壓架事故；影響因素；數(shù)值分析；采高

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.086

提高回采上限，縮小防水煤柱高度，可以延長礦井第一水平服務年限，提高煤炭資源回收率。但是，由于回采上限的提高，煤層頂板巖性發(fā)生了變化，易發(fā)生工作面壓架事故，造成重大經(jīng)濟損失。本文以某礦上提工作面煤層地質(zhì)條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了支架工作阻力、采高、面長、煤層傾角各種因素對上提工作面壓架危險性的影響。

1 工作面概況

試驗面可采走向長度930m，面長120.7m，煤層總厚5.4m，煤層傾角平均13°，可采儲量62萬噸。原設(shè)計回采上限標高-390m，回風順槽實際頂板標高為-377.9～-385.4m，上方新生界松散層厚367.4～378.0m，“紅層”+中隔厚度為22.5～28.3m，提高上限開采4.6～12.1m，留設(shè)的最小煤巖柱厚為50.6m。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

根據(jù)試驗面采掘工程平面圖建立數(shù)值計算模型。模型長320m，寬260m，高163m。采用摩爾-庫侖準則計算。本區(qū)新生界底界面往下垂深30m為風氧化帶，回采上限為新地層界面下垂深55m。

3 上提工作面覆巖運移特征

上提工作面采場圍巖控制的關(guān)鍵在于工作面頂板下沉量要控制在一定范圍內(nèi)，保證支柱具有行程，工作面支架不被壓死。所以本文以采場頂板下沉量為評價指標，對比分析了不同開采地質(zhì)條件下上提工作面壓架危險性。

圖1為頂板下沉量變化曲線，從圖中可以看出，由于試驗面為走向長壁提高回采上限工作面，工作面兩順槽埋深不一樣，基巖厚度不一樣，所以，頂板下沉量呈非對稱出現(xiàn)。頂板下沉量峰值位置不是出現(xiàn)在工作面中部位置，而是當觀測點距離機巷70m時，頂板下沉量達到最大值1268.4mm。總的來說，工作面中上部位置由于基巖厚度較薄，頂板不易形成“砌體梁”平衡結(jié)構(gòu)，所以，頂板下沉量要大于中下部。

4 上提面壓架危險性影響因素

4.1 采高對壓架危險性的影響

采高不僅是“三下”開采導水裂隙帶高度預計的重要參數(shù)，而且還是上覆關(guān)鍵層破斷塊體能否形成穩(wěn)定的“砌體梁”鉸接平衡結(jié)構(gòu)，采場礦壓顯現(xiàn)是否強烈的重要影響因。以初始模型為基礎(chǔ)，僅改變采高，研究了采高分別為3m、4m、5m時采場頂板下沉量。

工作面采高由5m減小到3m時，頂板下沉量迅速減小，在工作面兩端頭頂板下沉量隨采高的減小逐漸減小，當測點距離兩順槽大于10m后，頂板下沉量隨采高的減小而迅速減小。當采高為5m時，頂板下沉量最大值為1441mm，當采高降為3m時，頂板下沉量最大值降為762mm。所以，對于上提面在保證支架活柱具有一定行程下，降低采高可有效控制采場頂板下沉量。

4.2 支架工作阻力對壓架危險性的影響

在原模型的基礎(chǔ)上通過改變支護強度，分析了弱（0.425MPa）、中（0.85MPa）和強（1.7MPa）不同支護強度下采場頂板下沉量當支護強度降為為0.425MPa（3200KN）時，頂板下沉量最大值迅速增加到1687.0mm，就有可能在工作面中上部首先發(fā)生壓架事故。

4.3 面長對壓架危險性的影響

試驗面為零階段提高上限開采工作面，設(shè)計面長120.7m，那么在現(xiàn)有的地質(zhì)、開采條件下，回采上限是否可以進一步提高，工作面面長是否可以進一步加長？是提高回采上限開采需要探討的問題。在原模型的基礎(chǔ)上，膠帶順槽位置保持不變，回風順槽沿煤層傾向向外移動30m，研究工作面面寬增加到150m時上提面礦壓顯現(xiàn)特征。

工作面面長增加了30m，相當于回采上限又提高了6.93m，上順槽基本布置在風氧化帶內(nèi)，基巖厚度減薄，工作面頂板下沉量急劇增大。在工作面中下部，工作面面長變化對頂板下沉量影響不大，兩條曲線基本重合。當觀測點距離機巷大于60m后，即工作面超過回采上限，工作面面長變化將對頂板下沉量造成一定的影響。最大頂板下沉量由面長為120m時的1268.4mm增加到面長為150m時的1351.7mm，約增加了100mm。頂板下沉量的增加，就有可能發(fā)生壓架事故。

5 工程實踐

試驗面于2016年2月5日開始回采，于2016年7月15日順利回采結(jié)束，共生產(chǎn)原煤97.79萬t，最高月產(chǎn)達23.10萬t。其中通過縮小防水煤柱，提高回采上限多產(chǎn)煤炭48.90萬t。說明該工作面支架選項合理，工作面設(shè)計滿足要求。

6 結(jié)語

（1）上提面支架工作阻力越大，頂板下沉量就越小，就越不容易發(fā)生壓架事故。（2）工作面面長越長，采動就越充分，頂板下沉量就越大，尤其是走向長壁工作面，增加面長，風巷上方的基巖厚度減薄，壓架危險性就會增加。（3）煤層傾角越小，可能整個工作面都處在回采上限之上，就具有較高的壓架危險性。

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作者簡介：寧濤（1986-），安徽宿州人，本科，助理工程師，從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。