大采高偽斜綜采工作面基本頂初次來壓規律研究

高 升，魏立科，張宏杰，單 川

(1.中煤科工能源投資有限公司，北京 100013；2.應急管理部信息研究院，北京 100029；3.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021)

對于厚煤層開采，大采高一次采全高綜采技術具有產能大、回采率高和經濟效益好等顯著優越性，技術與裝備取得了快速發展。但大采高工作面覆巖結構破斷擾動范圍隨著采高的增加而增大，容易引發煤壁片幫、煤巖體冒漏、支架失穩等嚴重礦壓顯現現象，尤其是煤層傾角大及受斷層切割等復雜地質條件，進一步加劇了礦壓顯現強度和影響范圍[1，2]。因此，研究復雜地質條件下大采高采場礦壓顯現規律，尤其是基本頂初次來壓規律，是保障大采高綜采面“支架—圍巖”系統穩定與安全生產的必要條件。

1 工作面概況

擔水溝煤礦4101工作面煤層厚度3.58～5.52m，平均4.55m，煤層傾角18°～28°，平均23°，屬全區穩定可采煤層。工作面無直接頂，局部區域有0.03m厚的炭質泥巖偽頂，極易垮落；基本頂為中粗砂巖，平均厚度16.4m，巖性較堅硬，屬于Ⅲ級頂板，來壓顯現強烈；直接底為泥巖，局部為細砂巖，平均厚度5.05m；工作面內被多條落差約1.1m的小斷層切割。該工作面采用一次采全高偽斜綜采工藝，走向長度967m，傾向長度250m，下端頭超前上端頭回采約35m，頂板控制采用全部垮落法；工作面中部基本支架為ZY9200/22/46型支撐掩護式液壓支架，中部支架139架，兩端過渡支架采用ZYG9200/22/46型支撐掩護式液壓支架，共5架，排頭2架，排尾3架，整個工作面共布置144架，自下端頭向上端頭依次排列。工作面布置運輸巷道和回風巷道兩條回采巷道，兩巷超前支護距離30m，支護方式為單體支柱配合一字鉸接梁超前支護。

2 工作面“支架—圍巖”穩定性分析

通過現場調研4101綜采面地質生產條件，結合前期理論研究，分析得出4101綜采面“支架—圍巖”系統穩定性控制難點。

2.1 大采高工作面“支架—圍巖”穩定性分析

大采高工作面“支架—圍巖”穩定性控制主要呈現以下特點：一是采高增大使上覆巖層斷裂步距和破斷擾動范圍變大，礦壓顯現更為明顯，基本頂來壓強度可增大1—2個級別，表現為來壓期間支架載荷和基本頂動載系數的增大；二是采高增大使煤壁臨空面積增大，煤壁穩定性差，易引起片幫和端面煤巖體冒漏、支架受力不均、構件損壞等現象，引發嚴重頂板事故，威脅礦井安全正常生產[3-6]。

4101工作面屬典型的大采高工作面，基本頂初次來壓期間，工作面煤巖體冒漏范圍較小，煤壁片幫現象相對嚴重，支架液壓值較高，其中，工作面基本頂初次來壓時，90#支架液壓值平均39.6MPa，85#架處煤壁最大片深達0.84m，直接影響著工作面的安全高效回采。

2.2 偽斜工作面“支架—圍巖”穩定性分析

何富連教授等研究得出梯形邊界的偽斜工作面回采過程中基本頂呈反“D”形分區域斷裂，工作面初次來壓呈現多次性和疊加性分段來壓現象[7]。張益東教授等研究得出俯偽斜采煤法與真傾斜回采相比基本頂來壓強度相對減小、沿工作面傾斜方向礦壓顯現有明顯的不均勻性、采高大小及采面幾何形狀對礦壓顯現的影響規律等[8]。偽斜綜采面還面臨著工作面支架與采煤機耦合下滑、支架歪斜及架間擠咬等難題，“支架—圍巖”支護系統的穩定性成為頂板控制的重點[9]。

4101工作面屬于傾斜工作面開采，為了減小煤層傾斜對工作面的影響，采用開切眼斜交于回采巷道的偽斜回采工藝，工作面下端頭超前上端頭開采約35m回采，隨著工作面的推進逐漸形成梯形狀采空區，工作面極易出現支架滑架、擠架和輸送機滑移現象。

2.3 小斷層切割工作面“支架—圍巖”穩定性分析

采場基本頂被斷層切割成兩個或多個板塊，隨著板塊邊界條件和組合關系的變化，基本頂板結構的破斷垮落和來壓過程也不盡相同，當小斷層邊界為自由支撐型邊界條件時，斷層兩側基本頂往往不能同步初次來壓。受小斷層切割頂板結構連續性的影響，斷層附近區域基本頂易出現應力集中，頂板下沉速度加快，頂板極易發生突然垮落事故[7，10，11]。

4101工作面初采期間，在距上端頭80m處賦存F1正斷層，斷層落差1.3m，傾角為50°，在傾向上斷層頂板結構被F1斷層切割成兩塊，工作面初次來壓期間，斷層附近區域支架壓力明顯高于其它支架，且端面煤壁片幫嚴重。

3 基本頂初次來壓規律UDEC模擬研究

通過UDEC離散元數值模擬軟件對沿工作面傾向基本頂初次來壓過程進行模擬計算，得到4101工作面初次來壓時基本頂沿傾向垮冒的宏觀顯現、頂板下沉位移變化、頂板應力分布等礦壓顯現信息，總結得出大采高偽斜工作面沿傾向基本頂初次來壓規律。

3.1 模型主要參數的選取

通過對4101工作面采集煤巖樣進行力學實驗，4101工作面基本頂中粗砂巖抗壓強度59.6MPa，彈性模量18.4MPa，泊松比0.21；煤體抗壓強度21.3MPa，彈性模量5.6MPa，泊松比0.33。工作面下端頭超前上端頭35m回采。

3.2 數值模型的建立

根據4101工作面生產地質條件，以水平方向為X軸，以豎直方向為Y軸，基本底和直接底厚度均取為4m，煤層取平均厚度5m，頂板厚度為15m，建立350m×160m的計算模型。結構單元按照對采場礦壓不同影響程度劃分為不同大小，距離工作面較遠的底板和上覆巖層塊度為20m×10m，基本底塊度為10m×4m，直接底塊度建為5m×2m，煤層塊度建為1m×1m。為了計算分析方便，將基本頂分為上下兩層，下層基本頂厚5m，塊度為1m×1m，上層基本頂厚10m，塊度為5m×2m。圍巖本構關系采用摩爾-庫侖模型，模型上邊界為應力邊界條件，其它三個邊界則簡化為位移邊界條件。數值模型巖層分布如圖1所示。

圖1 數值計算模型巖層分布

3.3 數值模擬結果及分析

3.3.1 沿工作面傾向基本頂垮落來壓顯現情況

隨著模型工作面的回采，工作面傾向上方基本頂逐漸產生破斷現象，通過分析傾向各區域基本頂初次垮落情況判斷來壓時間順序。通過數值模擬計算分析可知：當運算至6000步時，模型中工作面下端頭和F1斷層上部區域頂板單元體結構開始出現破斷和垮落，說明此區域基本頂初次來壓；當運算至8000步時，模型中工作面上端頭及中下部區域頂板單元體結構也開始出現破斷和垮落，說明此區域基本頂初次來壓；當繼續運算至達10000步時，模型中F1斷層下部區域頂板單元體結構也最終垮落，此時整個工作面基本頂全部垮落，基本頂初次來壓完畢。數值模擬計算結果如圖2所示。

圖2 工作面基本頂垮落來壓的數值模擬

數值模擬結果表明：沿工作面傾向，基本頂初次來壓表現出明顯的分段來壓特征，各區域頂板初次來壓不同步，來壓順序依次為：工作面下端頭和F1斷層上部區域、工作面上端頭和中下部區域基本頂初次來壓、F1斷層下部區域。

3.3.2 沿工作面傾向基本頂下沉位移變化過程

為了便于分析基本頂結構的下沉位移變化過程，在模型中沿工作面傾向，分別煤層頂板8m和18m處設置兩條位移觀測線，通過分析各測線下沉量的大小判斷該區域基本頂初次破斷時間。當模型分別運算至6000步、8000步和10000步時，繪制兩條測線所記錄的頂板鉛垂位移變化曲線如圖3所示。

圖3 工作面基本頂垂直位移變化曲線

由圖3可知：當模型運算至6000步時，工作面下端頭(0～50m)和斷層上部(170～220m)區域頂板開始出現明顯下沉，說明此區域頂板初次來壓；當模型計算至8000步時，工作面中下部(50～130m)和上端頭(220～250m)區域頂板位移量由運算至6000步時的400mm急劇增大至1000mm，頂板下沉，說明此區域頂板初次來壓；當模型運算至8000步時，工作面斷層下部(130～170m)區域頂板位移量由運算至8000步時的500mm增大至1400mm，說明此區域頂板初次來壓。工作面基本頂下沉位移數值模擬結果也表明了基本頂呈現分段初次來壓特征。

3.3.3 沿工作面傾向頂板應力分布變化特征

通過數值模擬計算至6000步時，基本頂應力分布狀況如圖4所示。由圖4可知：工作面下端頭支承煤體及其上方頂板出現應力集中區，這是由于工作面傾角較大，工作面上部頂板重力沿傾向方向施加給下端頭支承煤體及上方頂板連續載荷，引起此區域基本頂出現應力集中區，使得下端頭區域基本頂初次來壓早于上端頭；受F1小斷層影響，斷層上部即圖中斷層右側頂板出現一定程度的應力集中，斷層下部頂板應力分布則較為緩和，故而工作面斷層兩側的基本頂初次來壓不同步。工作面下端頭和斷層上部區域頂板受應力集中影響區域，支架液壓值相對較高，且端面易出現煤壁片幫和煤巖體冒漏現象，應注重加強此區域頂板的控制。

圖4 運算至6000步時工作面基本頂應力分布狀況

4 初次來壓礦壓顯現實測分析

4.1 基本頂初次來壓礦壓顯現現場實測

基本頂初次來壓期間，支架液壓值將普遍增大，煤壁片幫及煤巖體冒漏現象相對嚴重。4101工作面初采期間的礦壓顯現現場實測主要收集各支架液壓值、端面煤壁片幫及煤巖體冒漏等宏觀顯現情況，并據此判斷基本頂初次來壓情況。

現場礦壓顯現實測得出4101綜采面基本頂初次來壓規律如圖5所示。首先，當工作面推進至30.4m時，工作面下部1#—32#支架區域基本頂初次破斷來壓；其次，當工作面推進至34.6m時，工作面F1斷層上部95#—144#支架區域基本頂開始初次破斷來壓；最后，隨著工作面的繼續推進，當工作面推進至39.9～51.5m時，工作面斷層下部33#—94#支架區域基本頂初次破斷來壓。此外，4101工作面煤壁的片幫相對于煤巖體冒漏現象更為嚴重，工作面片深達到0.5m以上的占6%，主要集中在工作面下端頭和F1斷層區域。

因此，4101工作面不同區域基本頂初次來壓步距不同，全工作初次來壓持續4d，在工作面下端頭和斷層區域端面煤壁片幫相對較強烈，工作面推進時應加強此區域端面煤壁片幫的控制。

圖5 4101綜采面基本頂初次來壓步距圖

4.2 偽斜開采工作面基本頂分段初次來壓理論分析

我國煤礦現場生產實踐與實驗室研究表明：當梯形采空區基本頂初次來壓步距A與工作面長度b之比A/b<1/3～1/2時，則基本頂板結構易產生明顯的分段來壓現象；當A/b>1/3～1/2，則基本頂板結構分段來壓現象不明顯[5]。現場實測整個4101工作面基本頂初次來壓步距平均為37.6m，工作面斜長為250m，梯形采空區基本頂初次來壓步距A與工作面長度b之比為0.15且小于1/3～1/2。因此，理論上4101大采高偽斜綜采面基本頂也將出現分段初次來壓現象。

5 結 語

通過對4101大采高偽斜綜采面礦壓顯現分析，偽斜開采工作面基本頂初次來壓呈現分段來壓特征，即首先工作面下端頭及斷層上部附近基本頂來壓，其次上端頭及中下部基本頂來壓，最后斷層下部區域基本頂來壓，基本頂分段來壓減緩了整個工作面頂板同時破斷垮落產生的大范圍來壓影響，但工作面下端頭和斷層附近煤壁片幫現象嚴重，礦壓顯現較強烈，工作面回采時應著重加強此區域支架的管理和片幫控制。