淺埋煤層工作面長度確定及覆巖穩定性研究

肖劍儒，滿 洋，陳建華

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司 生產管理部，陜西 神木 719300；2.國能神東煤炭集團有限責任公司 機電管理部，陜西 神木 719300；3.國能神東煤炭集團有限責任公司 大柳塔煤礦，陜西 神木 719300)

隨著東部煤炭資源開采殆盡，西部礦區成為我國煤炭資源的主要產地[1，2]。煤層埋深淺、地質條件簡單、開采技術及設備先進是西部礦區最顯著的地質和技術特點[3]。基于優越的地質和技術條件，西部礦區工作面開采水平不斷提高，工作面長度也不斷增加[4]。例如，神東集團哈拉溝煤礦12上101-2工作面，該工作面開采長度已經達到450m。隨著工作面長度增加，能有效減少工作面搬家倒面的次數，節約生產成本和生產時間，同時還能減少煤柱損失，提高采區整體回采率，但工作面長度增加也會帶來瓦斯涌出量增加、設備故障率增高、遺煤自燃可能性增大等生產技術問題。

為探求合理工作面長度，眾多專家學者展開了諸多研究。張春等[5]建立了工作面長度與采空區遺煤自燃的關系模型，以防止遺煤自燃為原則確定出了合理工作面長度。劉偉韜[6]對超長工作面的“三機”生產能力進行了校核，指出刮板輸送機的運輸能力是限制工作面長度增加的主要裝備因素。宋立兵等[7]計算了不同長度工作面的生產成本、產量及利潤，結果表明工作面長度增加能顯著增加礦井經濟效益。這些成果極大推進了合理工作面長度確定的研究進展，但其中缺乏以覆巖穩定性控制為基礎確定工作面合理長度的研究。煤層被采出后，工作面內形成可供上覆巖層垮落運動的自由空間，頂板覆巖破斷失穩，引發工作面礦壓顯現。西部礦區大多以淺埋煤層為主，相關研究表明淺埋煤層工作面礦壓顯現更強烈，若工作面長度不合理將給生產管理帶來更大挑戰[8]。因此，研究淺埋煤層工作面長度與覆巖穩定的作用關系，并以此為基礎確定合理工作面長度成為亟待解決的重要課題。本文以石圪臺煤礦22306淺埋煤層工作面為工程背景，采用理論分析與數值模擬研究覆巖穩定與工作面長度之間的關系，確定合理的工作面長度，并通過現場工業性試驗對研究結果進行驗證。研究成果對保證淺埋煤層工作面安全高效開采、提高經濟技術效益及保護西部地區的脆弱生態環境具有重要理論和實踐意義。

1 工程概況

石圪臺煤礦是神東煤炭集團的主力生產礦井之一，為保證礦井高產高效，在先進技術裝備水平和優越地質條件的基礎上，礦井對生產工作面長度提出了更精準的設計要求。22306工作面位于石圪臺井田22煤三盤區，工作面埋深95.2m，煤層厚度1.1～2.9m，平均厚度2.1m，傾角為1°～3°，工作面范圍內地質條件簡單，無明顯構造發育，整體呈負坡回采，局部有波狀起伏。工作面綜合柱狀圖如圖1所示，頂底板條件良好。22306工作面是典型的淺埋煤層工作面，在借鑒礦井已有生產工作面長度的基礎上，以覆巖穩定為主要切入點對該工作面長度進行合理優化。

圖1 22306工作面綜合柱狀圖

2 覆巖穩定理論研究

煤層被采出后，上覆巖層具備了可自由運動的垮落空間，從而形成包含應力傳遞和變形傳遞的復雜失穩破壞。為保證頂板覆巖穩定，實際生產中利用液壓支架對頂板進行高強度支護，然而上覆巖層的壓力除作用在液壓支架上外，其自身也能形成不同的自穩結構以保持其穩定[9]。對于采場覆巖形成的承載結構，最有代表性的理論分為兩類：一類是基于板或者梁力學結構提出的懸臂梁假說、砌體梁假說和關鍵層理論等，其認為采高和關鍵層結構是影響采場覆巖運動特征的主要因素[10]；另一類是以拱為承載結構的理論[11]。以拱為承載結構的理論認為覆巖的失穩破壞呈動態發展形式，上覆巖層由靠近采空區側從下向上失穩破斷進而冒落，當煤層頂板結構及開采條件等外部環境合適時，堅硬頂板破斷形成鉸接結構，但鉸接的點不在同一直線上，進而形成具有自穩結構的壓力拱保持覆巖穩定。隨著時間發展，覆巖內應力轉移變化造成壓力拱失穩，覆巖變形破壞繼續向上發展，直至形成穩定不再破壞的壓力拱[12，13]。

壓力拱結構模型認為覆巖的破壞范圍與采場尺寸有關，工作面長度是工作面空間尺寸的有效衡量標準，因此一定范圍內工作面長度變化對壓力拱高度具有明顯影響[14]。為研究工作面長度與壓力拱高度的作用關系，建立幾何模型，如圖2所示，壓力拱整體以拋物線形態出現，拱腳作用于工作面兩端煤壁內，跨度涵蓋整個工作面長度，且沿中線對稱分布。前人基于工作面長度對壓力拱高度進行了求解，求解公式如下[15]：

圖2 壓力拱幾何模型

式中，h為壓力拱高度，m；l為工作面長度，m；f為覆巖平均堅固系數。

式(1)給出了壓力拱高度與工作面長度的作用關系，為研究與生產提供了重要支持，但式(1)計算中忽略了壓力拱拱腳作用于煤壁內的距離。為便于更精準求解壓力拱高度，對式(1)進行修正。結合前人研究成果，可得壓力拱高度為：

根據幾何關系，可得：

式中，b為壓力拱跨度，m；a為壓力拱拱腳作用于煤壁內的距離，m；m為煤層厚度，m；θ為工作面煤壁裂隙滑移面與煤壁側間的夾角，(°)；φ為覆巖內摩擦角，(°)。

聯立式(2)、式(3)，得壓力拱跨度和壓力拱高度為：

石圪臺煤礦22306工作面采高為2.1m、覆巖平均堅固系數為3.25、內摩擦角為30°，根據式(4)計算可得不同工作面長度時覆巖壓力拱高度，計算結果如圖3所示。在計算范圍內，隨著壓力拱跨度即工作面長度增加，覆巖壓力拱高度隨之線性增加，增長斜率約為15.4%。當工作面長度為280m時，壓力拱高度約為43.5m；當工作面長度為310m時，壓力拱高度約為48.1m。根據普氏壓力拱理論及相關研究[16]，可知當H≤2h，也即工作面埋深小于兩倍壓力拱高度時，覆巖內不能形成穩定壓力拱。結合22306工作面壓力拱高度計算結果可知當工作面長度超過307m后，工作面埋深(95.2m)將小于兩倍壓力拱高度。因此，工作面長度超過307m后，工作面回采后覆巖不能形成完整壓力拱，覆巖結構整體失穩，變形破壞發育到地表將導致地表沉陷。最終，基于壓力拱理論確定22306工作面長度應小于307m。

圖3 壓力拱理論計算高度

3 數值模擬研究

在工程實踐應用中，工作面在開挖過程中所受外界干擾復雜多變，借助FLAC3D數值軟件，可以模擬開挖不同工作面長度的覆巖變形破壞特征，最終反演確定合理的工作面長度。

3.1 模型建立

根據22306工作面煤巖賦存情況建立數值模型，模型建至地表，研究以工作面長度為主要對象，兼顧計算成本和時間，模型推進長度控制一致且保持相對較小尺寸，最終確定模型尺寸為410m×300m×105.7m(長×寬×高)，頂部為自由邊界，底部邊界固定。模型一共劃分為19層，累計巖性為8種，各巖層采用摩爾庫倫本構模型，具體力學參數見表1。結合前文理論計算結果，分別模擬工作面長度為280m、290m、300m及310m回采后覆巖的破壞情況，工作面一次開挖，兩端煤柱留設尺寸為50～65m，煤柱尺寸均較大，能有效避免尺寸效應。

表1 煤巖層物理參數

3.2 結果分析

不同長度工作面回采后塑性區分布演化情況如圖4所示，工作面回采后，頂板巖層卸壓而出現剪切和拉伸破壞，且以拉伸破壞為主。工作面長度不同，上覆巖層破壞范圍表現出明顯差異，總體表現為工作面長度越大，上覆巖層破壞高度越高。280m、290m、300m、310m長度工作面對應塑性區破壞高度分別為11.07m、12.54m、14.32m和14.88m。工作面長度小于300m時塑性區破壞高度發育迅速，290m工作面塑性區高度較280m增高13.28%，300m工作面塑性區高度較290m增高14.19%；而工作面長度大于300m時塑性區破壞高度發育平緩，310m工作面塑性區高度較300m僅增高3.91%，說明工作面長度增加到一定范圍后其對覆巖的破壞影響趨于穩定。此外，22306工作面頂板距主關鍵層(關鍵層2)13.4m，工作面長度達到300m后覆巖塑性破壞達到主關鍵層，隨時間發育主關鍵層及其上覆隨動層破斷，覆巖結構整體失穩，變形破壞發育至地表而造成地表沉降。為保證覆巖的整體穩定，工作面長度應布置在300m以下。

圖4 不同長度工作面回采塑性區分布

4 現場應用及驗證

理論計算結果得到22306工作面長度不應超過307m，數值模擬計算結果得到工作面長度應布置300m以下，在保證安全的最大原則下，結合礦井已采工作面生產狀況和現有生產裝配配套情況，最終確定22306工作面長度為290m。為驗證研究結果的可靠性，將設計工作面長度應用于實際生產，生產過程中通過監測液壓支架工作阻力及巷道圍巖變形，對確定的工作面長度的合理性進行驗證。

4.1 液壓支架工作阻力監測

22306工作面共布置168臺液壓支架，工作面回采過程中，支架立柱安全閥基本不開啟，立柱無下沉現象，為了進一步準確預報工作面回采過程中的礦壓規律，利用頂板在線監測系統對支架的工作阻力進行實時監測。工作面共設置上、中、下三個測區(上部測區靠近輔運巷、下部測區靠近主運巷)，1至56號支架為上部測區，57至112號支架為中部測區，113至168號為下部測區，如圖5所示。

圖5 測區布置

22606工作面設計走向推進長度為5097m，選取工作面走向中段150m范圍內(2600～2750m)上部測區、中部測區和下部測區典型液壓支架的工作阻力繪制成曲線，如圖6所示。由于在工作面長度方向存在壓力拱，壓力拱內的圍巖在自重作用下垮落，形成對支架的壓力，壓力拱中部頂板下沉最明顯，管理難度最大，支架工作阻力最高，因此沿工作面長度方向，中部測區液壓支架的工作阻力大于上部和下部測區。工作面來壓判據值為45MPa，三個測區支架壓力值均主要分布在40MPa以下，僅中部測區支架在監測范圍內140m時阻力值超過45MPa，說明工作面回采過程中無明顯動載來壓，工作面長度290m能保證安全回采。

圖6 支架阻力演化曲線

4.2 巷道圍巖變形監測

工作面巷道是工作面生產中運煤、運料、行人等的主要通道，若工作面礦壓顯現劇烈會對巷道圍巖變形產生極大影響，因此本次現場監測還包括巷道圍巖變形的監測。巷道圍巖變形監測主要為頂板離層監測，監測范圍仍是工作面走向2600～2750m范圍，分別在22306工作面主運巷和輔運巷走向2750m頂板中心位置布置頂板離層儀，工作面每推進10刀觀測一次，監測結果如圖7所示。隨工作面推進至測站，工作面主運巷和輔運巷頂板離層量均不斷增大，受超前支承壓力影響，采煤機回采至120～130刀范圍內回采巷道頂板離層量出現微突增，其后離層變形逐漸穩定，但總體頂板離層量均未超過30mm，在巷道圍巖變形可控范圍內，巷道完整性良好，說明290m工作面長度不會對巷道圍巖穩定造成明顯影響。

圖7 頂板離層位移

5 結 論

1)在考慮壓力拱拱腳作用于煤壁內距離的基礎上，對壓力拱高度計算公式進行了修正，理論計算得到工作面長度越大，壓力拱高度越大；22306工作面長度超過307m后，工作面回采后覆巖不能形成完整壓力拱，基于壓力拱理論確定22306工作面長度應小于307m。

2)工作面覆巖塑性破壞高度與工作面長度正相關，但工作面長度增加到一定范圍后覆巖塑性破壞范圍趨于穩定；22306工作面長度達到300m后覆巖塑性破壞達到主關鍵層，覆巖結構整體失穩，為保證覆巖的整體穩定，工作面長度應布置在300m以下。

3)綜合理論分析和數值計算結果，結合礦井已采工作面生產狀況和現有生產裝配配套情況，最終確定22306工作面長度為290m，通過監測液壓支架工作阻力及巷道圍巖變形，驗證了當工作面290m時能充分保證覆巖穩定以及礦井安全生產。