鎮(zhèn)城底礦綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

仝 元

（西山煤電集團有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

在煤礦的開采過程中，如何采取經(jīng)濟、合理的措施實現(xiàn)采場圍巖穩(wěn)定是煤炭生產(chǎn)企業(yè)一直關(guān)心的問題。由于綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的復(fù)雜性[1-4]，許多問題仍需仔細(xì)研究。不少專家學(xué)者對于綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了深入研究[5-7]，并且得出了非常有價值的研究結(jié)論。但是，對于過斷層的綜采工作面頂板運動規(guī)律研究的較少。本文以鎮(zhèn)城底礦28107綜采工作面圍巖為觀測對象，研究該工作面頂板運動及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和對選用支架的適應(yīng)性進(jìn)行評價，對回采巷道礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行實測，為采場圍巖控制提供可靠的技術(shù)參數(shù)，為回采巷道超前支護(hù)的范圍和強度確定提供了依據(jù)。

1 概述

1.1 工作面概況

鎮(zhèn)城底礦28107工作面位于南一下組采區(qū)，南西接南一下組皮帶、軌道上山，北部為28109工作面(己回采)，南部為28112，28110，28108工作面，東部為未采區(qū)。工作面標(biāo)高848～876 m，地面標(biāo)高1127～1179 m，工作面面積60704 m2，傾斜長度115 m，走向長度502 ～567 m。28107工作面主采8#煤層，8#煤層發(fā)育穩(wěn)定，煤層平均厚度為5.2 m。煤層直接頂為泥巖，平均厚度0.8 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度11.6 m，直接底為細(xì)砂巖平均厚度11.44 m。煤層整體呈背斜構(gòu)造，煤層傾角4°～8°，平均6°。在掘進(jìn)中共揭露9條正斷層，其中FS50，F(xiàn)S51，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)7對回采影響較大。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

基于鎮(zhèn)城底礦煤礦28107綜采工作面開采時的技術(shù)條件及地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，該模型中采用的煤巖層節(jié)理的力學(xué)參數(shù)見表1，同時在建立該模型時，對煤巖層分別進(jìn)行了賦值。

2.2 數(shù)值模擬過程分析

（1）頂板運動規(guī)律模擬分析

表1 28107 綜采工作面煤巖層塊體力學(xué)參數(shù)

本次模擬選取了工作面的頂板在工作面依次推進(jìn)至15 m、47 m、57 m時的運動規(guī)律，具體模擬效果見圖1。

圖1 頂板運動規(guī)律模擬

當(dāng)工作面推進(jìn)至15 m時，液壓支架后方的直接頂開始彎曲下沉并與基本頂之間出現(xiàn)離層，然后逐漸斷裂，進(jìn)而開始冒落，最終直接頂變成大量不規(guī)則巖體充填采空區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)至47 m時，液壓支架后方的直接頂已經(jīng)基本冒落結(jié)束；之后基本頂逐漸斷裂、下沉與上覆巖層之間出現(xiàn)離層，基本頂與直接頂之間的離層逐步被壓實?；卷斣跀嗔押蟛粩嘞鲁敛毫鬟f給液壓支架，出現(xiàn)了基本頂?shù)某醮蝸韷?。?dāng)工作面推進(jìn)至57 m時，上覆巖層在重力的作用下出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象并且組合巖梁出現(xiàn)周期性斷裂、下沉，直接頂與基本頂之間的離層逐步被壓實，基本頂將壓力傳遞給液壓支架，出現(xiàn)了基本頂?shù)牡谝淮沃芷趤韷骸?/p>

（2）支承壓力分布規(guī)律分析

本次模擬的是當(dāng)工作面向前推進(jìn)15 m、47 m、57 m時，在該工作面推進(jìn)方向上支承壓力的分布規(guī)律，具體模擬效果見圖2。

圖2 支承壓力分布規(guī)律模擬

當(dāng)工作面推進(jìn)到15 m左右時，采空區(qū)上方直接頂處為應(yīng)力最小，因為此時該處直接頂處于緩慢下沉狀態(tài)，并未直接受到上覆巖層一次向下傳遞的應(yīng)力；然后，以此處為中心，應(yīng)力向外側(cè)依次增大；在煤壁前方一定的范圍內(nèi)，有應(yīng)力增高處，這是因為上覆巖層在此處有應(yīng)力集中，而且這種應(yīng)力集中前后基本呈對稱分布，再向外應(yīng)力分布基本穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到47 m左右時，采空區(qū)中部上方范圍內(nèi)的基本頂斷裂、離層處應(yīng)力最低，因為此時基本頂斷裂處未直接受到上覆巖層的壓力，僅處于懸空狀態(tài)；在工作面前方一定范圍內(nèi)，有應(yīng)力集中處，這是由于基本頂回轉(zhuǎn)下沉所致，應(yīng)力集中的最大值在將要開采的煤壁處，此時煤壁容易出現(xiàn)片幫的事故；再向前方的范圍內(nèi)，未開采煤層中的應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)到57 m左右時，直接頂與基本頂?shù)碾x層處應(yīng)力最低，因為此時直接頂處于懸空狀態(tài)，以此處為中心，向外側(cè)擴展，應(yīng)力逐漸增大；在采空區(qū)前后側(cè)，應(yīng)力分布狀態(tài)基本一致，且呈現(xiàn)對稱分布的特點，在工作面前方一定范圍內(nèi)的煤壁中，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這是因為工作面基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷旱脑?，再向前方的范圍?nèi)，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）塑性區(qū)分布規(guī)律分析

本次模擬的是當(dāng)工作面向前推進(jìn)15 m、47 m、57 m時，塑性區(qū)的分布規(guī)律，具體模擬效果見圖3。

圖3 塑性區(qū)分布規(guī)律模擬

從圖3中可以看出，工作面圍巖的塑性區(qū)隨著工作面的不斷推進(jìn)而不斷擴大；當(dāng)工作面推進(jìn)至15 m時，塑性區(qū)的整體范圍最??；當(dāng)推進(jìn)至57 m時，塑性區(qū)的整體范圍最大。工作面前后兩側(cè)的塑性區(qū)狀態(tài)一般呈現(xiàn)對稱分布?；卷敽椭苯禹?shù)钠茐姆秶饕诓煽諈^(qū)上方集中，之前發(fā)生破壞的范圍占整個塑性區(qū)范圍的大部分，正在破壞的范圍較少，工作面煤壁的前后方頂板巖層拉伸破壞的主要集中區(qū)域[5]。

3 現(xiàn)場實測結(jié)果與分析

3.1 支架工作阻力監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)液壓支架的監(jiān)測結(jié)果，整理和分析，繪制出28107綜采工作面的支架循環(huán)末阻力見圖4。

圖4 支架循環(huán)末阻力

由圖4可知，28107綜采工作面直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄喾謩e為16.8 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?8.3 m，基本頂?shù)那傲沃芷趤韷翰骄嘁来螢?.7 m、11.0 m、11.0 m、14.5 m、14.3 m、9.6 m。安全閥在整個監(jiān)測過程中無開啟現(xiàn)象，工作面支護(hù)效果良好[6]。

3.2 支架載荷分布圖

由圖5可知，支架載荷5～20 MPa的占55.58%，20～25 MPa占24.96%，25～45 MPa占19.46%，支架初撐力普遍偏低，支架的支護(hù)阻力有較大富余支撐頂板，且富余量較大。ZY13000/26.5/57D型支撐掩護(hù)式支架適應(yīng)該面生產(chǎn)技術(shù)條件[7]。

圖5 28107工作面支架載荷直方圖

3.3 順槽圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

圖6 28107工作面巷道圍巖變形測點分析

由圖6可以看出28107軌順90 m范圍內(nèi)巷道壓力顯現(xiàn)不明顯，頂?shù)桌塾嬕平孔畲笾禐椋?4 mm，兩幫累計移近量最大值為：85 mm。超前影響范圍56 m，劇烈影響范圍為19 m。28107運順80 m范圍內(nèi)巷道壓力顯現(xiàn)較明顯，頂?shù)桌塾嬕平孔畲笾禐椋?75 mm，兩幫累計移近量最大值為：450 mm。超前影響范圍37 m，劇烈影響范圍為23 m。

4 結(jié)語

1）28107 綜采工作面直接頂?shù)某醮蝸韷翰骄喾謩e為16.8 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?8.3 m，基本頂?shù)那傲沃芷趤韷翰骄嘁来螢?.7 m、11.0 m、11.0 m、14.5 m、14.3 m、9.6 m。

2）28107 軌順90 m以內(nèi)壓力顯現(xiàn)不明顯，最大超前影響范圍為56 m，劇烈影響范圍最大為19 m。28107運順80 m以內(nèi)壓力顯現(xiàn)不明顯，最大超前影響范圍為37 m，劇烈影響范圍最大為23 m。

3）28107 綜采工作面支架初撐力普遍偏低，支架的支護(hù)阻力有較大富余支撐頂板，且是富余量較大。ZY13000/26.5/57D型支撐掩護(hù)式支架適應(yīng)該面生產(chǎn)技術(shù)條件。