錦丘煤礦12406工作面覆巖運動及礦壓顯現規律研究

蓋鵬艷，黃曉鵬，徐宜嶺

（滕州郭莊礦業有限責任公司錦丘煤礦，山東 棗莊 277515）

0 引言

長壁開采是我國煤礦開采的主要方式之一，具有效率高、產量大等優點。分析長壁開采過程中礦壓顯現規律對指導礦井安全高效開采具有重要意義[1]。自長壁開采以來，大量學者對長壁工作面礦壓顯現規律做了詳細的研究。楊真[2]對淺埋綜放工作面強礦壓現象進行了研究，發現采場覆巖高位關鍵層能夠形成砌體梁結構，低位關鍵層能夠懸臂梁結構，并且這兩種結構發生的聯動失穩效應是強礦壓顯現的主要原因；朱濤[3]對于深埋堅硬頂板的長壁工作面，提出了提高初撐力、加快推采速度的解決辦法。錦丘煤礦12406工作面為124采區首采工作面，下方還有16煤和17煤，在此工作面開展礦壓規律研究的同時也可以對下方煤層開采起到指導作用。運用理論分析、數值模擬和現場實測的方法分析了薄煤層工作面開采后的礦壓顯現規律，為下煤層乃至滕北礦區礦井的安全開采提供依據。

1 工程概況

錦丘煤礦位于滕北礦區的中部。井田含煤地層為上石炭統太原組，太原組含煤3層，分別為煤12下、煤16和煤17，現在回采的12406工作面位于主采煤層12下，埋深390 m，煤層不含夾矸，傾角為1°~4°，平均煤層厚度為1.6 m。工作面頂板自上而下分布有泥巖、砂質泥巖和粉砂巖等，泥巖層厚為2.50～7.99 m，平均3.35 m，局部夾薄層砂質泥巖；粉砂巖層厚為3.3～8.5，平均5.62 m。底板為石灰巖和泥巖，石灰巖平均厚度4 m，泥巖平均厚度為3.4 m。地層結構圖如圖1所示。

圖1 錦丘煤礦地層結構圖

2 工作面覆巖運動規律研究

2.1 基本頂來壓步距理論分析

通常在長壁開采時，沿推進方向基本頂初次破斷可以當作固支梁模型來處理，模型在煤壁、開切眼邊界煤柱兩端固定。其跨距隨工作面的推進而不斷增大，當基本頂的極限抗拉強度小于其最大拉應力時，頂板就會產生破斷，即初次來壓[4]。基本頂初次來壓步距計算公式（1）如下：

式中：h為基本頂厚度；σ1為基本頂抗拉強度；q1為基本頂所受載荷。根據錦丘煤礦實際地層數據，h為5.9 m，σ1為1.8 MPa，q1為105 kPa，代入數值計算得初次來壓步距為34 m。

工作面繼續推進，頂板初次破斷后還將發生周期性的破斷，即周期來壓，此時將模型簡化為懸臂梁結構，懸臂梁的最大彎矩在煤壁固定端，拉應力最大發生在煤壁處，從而基本頂將在煤壁固定端被拉斷[5]。同樣地，周期來壓步距計算公式（2）為：

代入數值計算得周期來壓步距為16 m。

2.2 模型建立

根據工作面實際地質情況，采用數值模擬手段研究煤層開采后覆巖運移規律。在煤層開采數值模擬研究中，通常采用Flac3D、UDEC等數值模擬軟件，Flac3D需要建立三維模型，計算方式繁瑣，所需硬件配置也較高，而UDEC可以用來模擬非連續系統，可以真實的反映巖層破斷情況，同時建立的又是二維模型，可以大大的減少計算量[6]。

數值模擬主要研究12下煤開采過程中的覆巖運移情況，煤16和煤17暫不做處理。確定模型尺寸長×高=150 m×100 m。模型中側面與底面采用位移約束，因為模型未建立至地表，所以上邊界施加應力約束。同時為了消除邊界效應的影響，在模型兩邊各設置了30 m的保護煤柱。模型中各地層物理力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學性質參數

數值模型見圖2。

圖2 煤層開采模型圖

2.3 綜采面覆巖運動規律分析

12406綜采工作面由開切眼開始推采，每次開挖進尺7 m。圖3~圖6為推進不同距離后覆巖垮落情況。12406綜采工作面推進14 m時，直接頂開始垮落，垮落形式呈臺階型，上覆巖層有較小位移，而離工作面較遠處巖層基本無變化，見圖3（a）所示。當工作面推采至35 m時，采空區上方巖層及工作面左右煤壁有明顯下沉，關鍵層發生破斷，可判斷發生了初次來壓，來壓步距約35 m，如圖3（b）所示。工作面繼續推進至50 m時，上覆巖層繼續下沉，關鍵層喪失承載能力下沉至采空區，12406工作面發生了周期來壓，周期來壓步距15 m，覆巖運動情況如圖3（c）所示。當工作面推進至65 m時，除近開切眼側存在巖層懸頂未完全垮落外，覆巖基本隨間隔層關鍵層同步下沉，采場達到充分采動狀態。

圖3 數值模擬開挖結果圖

綜上所述，經理論分析得出初次來壓步距為33 m，周期來壓步距為16 m。數值模擬得出初次來壓步距和周期來壓步距分別為35 m和15 m，結果相差不大。

3 礦壓規律實測分析

3.1 礦壓觀測方案

工作面采用掩護式液壓支架，切眼中部布置掩護式液壓支架60架，兩端頭分別布置掩護式液壓支架3架。分別在1、4、8、15、30、45、56、60、64號液壓支架后柱上安裝礦用數字壓力計，可以對液壓支架的工作阻力進行實時監測，數據每3天派專人收集一次，收集數據流程圖如圖4所示。

圖4 數據采集流程

對采集的數據進行整理，本次礦壓觀測從開切眼（2019年12月）開始至2020年2月。工作面端頭4號液壓支架和中部30號液壓支架工作阻力如圖5和圖6所示。

圖5 4號液壓支架工作阻力

3.2 礦壓觀測分析

由圖5可知，工作面從開切眼開始推進，端頭4號液壓支架壓力出現鋸齒狀升高，在推進至34 m左右時，支架壓力升至最高，為2 600 kN。上覆巖層出現大范圍下沉，頂板破碎，可以推測出發生了初次來壓，來壓步距34 m左右。工作面繼續推進，分別推至48、64、78、94 m左右時，支架壓力分別到達峰值。同時后方采空區出現墩墩聲，可判斷發生了多次周期來壓，周期來壓步距15 m左右。

同樣地，由圖6可知，30號液壓支架也出現了相似情況，支架工作阻力峰值為2 500 kN，初次來壓步距為36 m，周期來壓步距15 m左右。

圖6 30號液壓支架工作阻力

4 結論

1）煤層開采造成上覆巖層變形破斷，通過理論公式（固支梁和懸臂梁理論）分別計算了12406工作面的初次來壓和周期來壓步距，初次來壓步距為34 m，周期來壓步距為16 m。

2）采用離散元數值模擬軟件分析了煤層開采過程中基本頂破壞過程，得出初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為15 m。

3）采用現場監測的手段得到了液壓支架的工作阻力并對其進行分析，初次來壓步距為36 m，周期來壓步距15 m左右。端頭支架的阻力峰值要大于中部支架，并且數值模擬、理論分析、現場監測具有較好的一致性。