萬杰煤業復采工作面礦壓顯現分析及采面支護強度確定研究

馬萬里

（山西晉能控股煤業，山西 大同 037000）

0 引言

萬杰煤業為整合礦井，開采范圍內存在有多個煤炭產量在20萬t/a以下的小煤窯，礦井回采的2號煤層的上層煤被小煤窯采取刀柱式方式進行開采（采高約2 m），下層煤被遺棄（厚度約4 m）。復采2號煤層擬采用綜放開采方式，受小煤窯開采采空區、殘留煤柱等因素影響，復采工作面內礦壓顯現更趨復雜，從而增加采場頂板控制難度[1~3]。萬杰煤業2號煤層復采時，應在掌握工作面礦壓顯現規律基礎上，選擇合理的液壓支架對工作面頂板加以支護，才能保證采場的安全，進而實現正常生產。

1 工程概況

萬杰煤業復采的2號煤層回采工作面位于小煤窯開采破壞區，2號煤層原始厚度為4.10～6.30 m，傾角2°~5°，賦存較為穩定，具體頂底板巖性見圖1所示。2號煤層復采擬采用綜放開采方式，為了確保采面頂板穩定，采煤高度控制在2 m，采放比初步確定為1∶1。

圖1 2號煤頂底板巖性

小煤窯開采后形成的老空區及遺煤情況如圖2所示。根據2號煤層上部采空區、煤柱位置關系，復采工作面頂板類型可分為頂煤+老空區、頂煤+煤柱兩種類型。當頂板類型為頂煤+老空區時，此時頂板一般較為破碎，在回采過程中可能會出現一定的漏頂問題，但是頂板壓力相對較小。當頂板類型為頂煤+煤柱時，頂煤裂隙一般不發育，若煤柱寬度較大（10 m以上）則一般頂板巖層較為穩定，但也存在頂板應力集中問題，容易出現煤壁片幫、冒頂事故；若頂板煤柱寬度較小（10 m以下）由于煤主內裂隙發育，基本喪失支撐作用，頂板應力集中不明顯。

圖2 2號煤層老空區及遺煤狀況示意圖

2 復采工作面礦壓顯現分析

2.1 相似模擬

利用相似材料模擬試驗可以直觀了解遺煤復采工作面推進過程中頂板巖層的移動、破斷規律，了解采動對頂板巖層的影響范圍。針對萬杰煤業2號遺煤的開采情況，為盡可能使刀柱式開采對頂板的已有影響反映在試驗中，加快顯示開采造成的頂板影響范圍，制作相似模型時模擬刀柱式開采時煤柱與采空區尺寸比為1∶6，模型中模擬采空區跨度尺寸為5 m。

相似模擬確定的幾何相似比為0.02，容重相似比為0.6，彈性模量相似比為0.012，載荷相似比為4.8×10-6，時間相似比為0.14，制作相似模擬模型規格為2.0 m×1.2 m×0.16 m。

相似材料模擬試驗模型如圖3（a）所示,隨著復采工作面的推進，2號煤層頂板活動范圍變化情況如圖3（b）～（d）。相似材料模擬試驗結果顯示，對采煤工作面造成影響的巖層為2號煤層之上13.33 m范圍以內的巖層，其中煤層上方8.05 m的泥巖起主導作用，是形成工作面來壓主控巖層。

圖3 相似模擬示意圖

2.2 理論分析

萬杰煤業2號煤層老窯采空區上覆巖層是否穩定，除了取決于老空區殘留煤柱是否穩定外，還取決于上覆巖層的極限垮距[4~6]。根據固支梁模型，采空區基本頂承受qD載荷時，基本頂極限垮距l為[7]：

式中：hD為巖梁厚度，σt為巖梁的抗拉強度。

根據簡支梁模型，梁斷裂的極限垮距為[8]：

按照懸臂梁模型，基本頂周期破斷步距l2為[9]：

從2號煤層綜合柱狀圖以及相似模擬結果得出，煤層上覆8.05 m厚的泥巖頂板（第1層）控制2號煤層復采工作面礦壓顯現。經計算可知，煤層頂板對第1層巖形成的載荷集度qD為312 kPa。按照式（1）計算得到的第一層頂板極限跨距約為36.69 m，依照式（2）計算得到的第一層頂板極限跨距為29.95 m，依照式（3）算得的周期破斷步距為14.98 m。

3 復采工作面支護強度數值模擬分析

利用數值模擬軟件FLAC3D對復采工作面礦壓顯現進行分析，并對支架支護強度進行優選。

數值模擬原型以萬杰煤業2號煤的實際復采情況建立。模擬煤層厚度6.30 m，上部2 m已經過刀柱式開采。在工作面煤壁和頂底板中間設測點用以監測煤壁及頂板變形。

在采面過老空區、煤柱時，分別在空頂距為4 m的范圍內沿工作面對頂板分別施加0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 MPa和0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa的支護力，計算頂板不同位置的下沉量，用以確定支護強度與頂板下沉量之間的關系。具體過采空區以及煤柱期間頂板下沉量變化曲線分別見圖4、圖5。

圖4 過煤柱時支架支護阻力與頂板下沉關系曲線

圖5 過空區時支架支護阻力與頂板下沉關系曲線

工作面頂板合理的工作阻力合理平衡支護投入以及頂板控制。由圖4可知，煤柱下復采工作面支架合理支護強度應是0.4～0.5 MPa，取中間值0.45 MPa，可知空頂距范圍內的合理支護阻力是1 800 kN/m。

由圖5可知，老空區下復采工作面支架合理支護強度應為0.05～0.07 MPa，取中間值0.06 MPa，可知控頂距范圍內的合理支護阻力是240 kN/m。

老空區如果屬于未完全垮落或完全垮落狀態，工作面合理的支護阻力分別為1 200 kN/m和1 600 kN/m，均介于上述2種情況之間。

總體上看，復采工作面在老空區下的工作阻力變化范圍為240～1 600 kN/m，復采工作面在殘留煤柱下的工作阻力約為1 800 kN/m。單架液壓支架的架寬一般為1.5 m，則復采工作面在老空區下的工作阻力變化范圍為360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力約為2 700 kN/架。

4 總結

1）對采煤工作面造成影響的巖層為2號煤層之上13.33 m范圍以內的巖層，其中煤層上方8.05 m的泥巖起主導作用，是形成工作面來壓的主控巖層。頂板初次、周期破斷步距分別為29.95～36.69 m、14.98 m。

2）復采工作面過殘留煤柱時，如果控頂距為4.0 m，則支架初撐力最小為1 049 kN/m，支架寬度為1.5 m時，液壓支架初撐力為每架1 573 kN；過老空區時，如果控頂距為4.0 m，則液壓支架需要提供的初撐力不宜超過814 kN/m，支架寬度為1.5 m時，則液壓支架初撐力最大為1 221 kN/架。

3）控頂距為4.0 m時，復采工作面在老空區下的工作阻力變化范圍為240～1 600 kN/m，復采工作面在殘留煤柱下的工作阻力約為1 800 kN/m。單架液壓支架的架寬一般為1.5 m，則復采工作面在老空區下的工作阻力變化范圍為360～2 400 kN/架，在煤柱下的工作阻力約為2 700 kN/架。