近淺埋煤層綜采工作面礦壓顯現規律實測研究

賀奎 何青松

摘 要：本文針對鄂爾多斯地區典型近淺埋煤層的實際地質情況，在現場礦壓實測的基礎上，結合理論分析、數值模擬和現場實測研究方法，對近淺埋煤層大采高工作面礦壓規律進行研究。研究發現：該近淺埋煤層工作面上覆巖層中存在兩個關鍵層，這兩個關鍵層之間的相互作用對礦山壓力顯現起到關鍵作用。近淺埋采場來壓歷時較短且動載明顯，采場周期來壓步距和來壓強度均呈現非均勻性周期變化。

關鍵詞：近淺埋煤層；綜采；礦壓顯現；數值模擬；雙關鍵層

中圖分類號：TD323 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0076-03

Practical Measure Research on Strata-pressure Appearance of

Long-wall Working Face in Near Shallow Seam

HE Kui HE Qingsong

（China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039）

Abstract： Aiming at the real geological conditions of the typical near shallow coal seam in Ordos region，the minings pressure behavior and the motion characteristic of its overlying rock strata of the near shallow coal seam with high mining height was studied by means of theoretical analysis， numerical simulation and field monitoring data analysis. This study showed that there were two key-stratas above the longwall working face in typical near shallow coal seam， and the interactions between the two key strata played a major role in the strata behaviors. There are obvious strata behaviors in near shallow face which have shorter duration and violent dynamic loading phenomenon and the periodic caving span and weighting intensity working face have a periodic change.

Keywords： near shallow seam；fully-mechanized mining；strata behavior；numerical simulation；double-key strata

能源安全是國家經濟安全的基本支撐，煤炭工業是關系國家經濟命脈和能源安全的基礎產業[1，2]。在中國各省預測地質儲量中，僅西部地區新疆、內蒙古、陜西和陜西4省（區）的儲量就占全國煤炭資源總儲量的79.56%[3]。其中，有相當一部分煤田主要開采距地表較淺的煤層，最典型的是神府和東勝煤田，是我國目前已探明儲量最大的煤田[4，5]。

通常情況下，將具有淺埋深、基巖薄和上覆厚松散層賦存特征的煤層稱為淺埋煤層[4]。礦壓顯現規律是綜采關鍵技術的主要組成部分，特別是在淺埋深、大采高條件下，有時礦壓顯現劇烈、頂板來壓強度大[6]，若不加以有效控制，則會嚴重影響生產的正常進行。因此，掌握近淺埋工作面礦壓顯現規律，是進行近淺埋煤層頂板控制的基礎和安全開采的前提[7-9]。

1 工程概況和關鍵層判斷

本次研究選取鄂爾多斯地區東勝煤田范圍內比較有代表性的近淺埋煤層長壁開采礦井，該礦222201工作面為22采區首采工作面，四周及上下煤層尚未開采，工作面埋深為139m，回采長度為1 463m，傾斜長度240m，煤厚6.8m，傾角0°～5°，屬近水平煤層，工作面采用ZY11000/28/63D型支撐掩護式支架，綜合機械化走向長壁后退式一次采全高采煤法回采，全部垮落法管理頂板。

結合關鍵層位置判斷方法和判斷公式進行實例分析，可知第1層巖層及老頂為222201工作面的亞關鍵層，第3層至第5層組合成的復合巖層為222201工作面的復合主關鍵層，經計算得出：222201工作面亞關鍵層的初次破斷距為26.4m；主關鍵層的初次破斷距為50.8m。222201工作面覆巖分布及關鍵層位置見表1。

在一些文獻中，關鍵巖層的周期來壓步距常常按照其懸臂式折斷來計算[4]，可得出關鍵巖層的周期破斷距大體上相當于其極限破斷距的0.41倍。因此，可以通過理論計算預測222201工作面的周期來壓情況：工作面周期來壓步距為10.8、11.6、10.8、11.6m等，且工作面每隔22.4m，主亞關鍵層同時破斷，將造成工作面出現一次較強的來壓顯現。

2 工作面來壓規律數值模擬

以222201工作面地質條件為背景，通過FLAC3D軟件建立三維解析模型，模擬工作面推進過程中來壓規律。模型沿走向長200m，沿傾斜寬310m，模型高度為148m，共劃分有99 200個單元，共105 903個結點，采用Mohr-Coulomb判斷準則。圖1為推進期間工作面中部沿走向的塑性圖。

從圖1可以看出，隨著工作面的推進，直接頂懸露的長度會逐漸地增加，頂板的塑性破壞也隨之增大。當工作面推進30m時，基本頂在上覆載荷的作用下發生斷裂，工作面初次來壓。當工作面推過40m后，梁結構變為懸臂式承擔上覆巖層的載荷，再次破壞，形成周期來壓，垮落矸石充填到采空區。

3 工作面來壓顯現觀測

根據現場實際情況，本次分析選取觀測期間支架每循環末阻力平均值加上支架一倍循環末阻力平均值的均方差作為工作面壓判據[9-11]。圖2為工作面中部支架循環末阻力與其對應的來壓判據關系圖。工作面具體來壓步距情況統計結果見表2。由觀測結果可以看出，自工作面生產之日起，到初次來壓前，工作面礦壓變化不明顯，支架載荷較小，頂板活動不劇烈；工作面初次來壓期間，支架工作阻力較高、來壓持續時間較長，平均初次來壓步距為26.0m，工作面中部來壓顯現（聲響、片幫）比較明顯；來壓期間，部分支架的工作阻力接近甚至超過了額定工作阻力；工作面周期來壓步距為9.5～12.1m，周期來壓的強度和持續時間要比初次來壓小，但來壓顯現依然很明顯。

工作面的來壓強度通常用動載系數K來衡量，是評價頂板周期來壓劇烈程度的重要指標之一，礦壓觀測前期歷次周期來壓時支架載荷及動載系數統計如表3所示。

分析表3可以看出：工作面開采非來壓期間支架工作阻力平均值為6 031.43kN，為支架額定工作阻力的54.83%；來壓期間支架工作阻力平均值為9 494.04kN，為支架額定工作阻力的86.31%；工作面周期來壓時平均最大工作阻力為11 661.59kN，為支架額定工作阻力（11 000kN）的106.01%，但持續時間較短。工作面周期來壓動載系數最小值為1.42，最大值為1.67，平均為1.57，數值較大，支架動載明顯。現場實測結果也驗證了理論計算和數值模擬結果。

4 結論

①根據理論計算得出222201近淺埋煤層工作面上覆基巖中存在兩組關鍵層，亞關鍵層的初次破斷距為26.38m；主關鍵層的初次破斷距為50.84m，且工作面每隔22.38m，主亞關鍵層同時破斷，將造成工作面出現一次較強的來壓顯現。

②數值模擬結果顯示：當工作面推進30m時，工作面發生初次來壓；當工作面推進50m時，主關鍵層梁結構變為懸臂式承擔上覆巖層的載荷再次破壞。

③通過現場實測得出222203近淺埋工作面如下礦壓規律：初次來壓步距25.9m，周期末壓步距為10～12m，來壓期間動載顯現明顯，且來壓強度和來壓步距均存在非均勻性大小周期變化，實測結果與理論計算結果近似，說明研究結果能為現場提供較精確的理論預測結果，用以指導現場生產。

參考文獻：

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