布尔台煤矿12上301综放工作面矿压规律研究.pdf

2023 年第 8 期2023 年 8 月放顶煤开采工艺主要适用于厚度大、硬度较大的煤层开采。掌握顶煤破碎机制及破碎形式是围岩受力分析的重要前提，对于了解巷道围岩变形、受力特征、支架压力及工作面矿压规律有重要意义1-3。目前，国内学者关于综放工作面矿压显现规律的研究主要是基于钱鸣高院士提出的“砌体梁”假说，即完整岩体在开采过程中因为受力变形，形成若干个可滑动、可转动的刚体结构4。在放顶煤过程中，稳定的刚体结构遭到破坏，顶煤和直接顶岩性的差异往往造成垮落速度的差异，强开采扰动及大面积顶板垮落极易造成工作面矿压规律异常的现象5-6。本文针对这种持续时间短的矿压现象进行研究，在掌握矿井煤层赋存条件和状态、煤层结构及物理力学性质，顶底板岩性、层理及节理发育情况，直接顶厚度及初次垮落步距，老顶周期来压情况，瓦斯情况，煤尘爆炸指数及分层开采工作面支护强度等信息的基础上，采用理论与实践相结合的方式探明 301 综放工作面矿压规律。1工程概况矿井目前主要回采 301 综放工作面，该工作面采用综采放顶煤工艺开采煤层。煤层性质稳定，以半亮型和半暗型煤为主，呈玻璃光泽，夹杂少量夹矸，3#煤层夹矸最大厚度 0.65 m。采用 ZFYG21000/25/39D 型支架支护顶板，一次采煤设计高度为 3.7 m，放顶煤高度约1.2 m，通过自然垮落法管理顶板。301 综放工作面主运顺槽及辅运顺槽布置如图 1 所示，301 综放工作面主运顺槽与 302 工作面辅运顺槽相邻。特厚煤层采用放顶煤开采工艺时，煤体破碎形式多样；进行自然垮落顶板管理时，矿压显现特征不明显。实际放顶煤过程中，顶煤放出速率的不同以及自身完整性的差异，造成支架受力的反复。这种反复性产生的被动支护力往往提高了顶煤及直接顶的破碎程度，而支架主动支护的支撑力往往保证了顶板的稳定。复杂力学机制下工作面矿压规律的探究对于了解工作面的稳定性具有重要意义，是后续巷道支护优化设计的基础。2数值模拟研究综放工作面开采工艺较综采工作面而言更为复杂，工序多，顶煤破碎及岩层移动规律较难监测。考虑到收稿日期：2022-11-12作者简介：李宣良袁 1994 年生袁 男袁 山西吕梁人袁 助理工程师袁 主要从事矿压管理工作遥布尔台煤矿 12 上 301 综放工作面矿压规律研究李宣良（国能神东煤炭布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）摘要：探明布尔台煤矿 301 综放工作面矿压规律对于掌握上覆岩层移动规律与制定巷道支护方案有重要意义遥 采用数值模拟的手段袁 得到了工作面推进过程中循环放煤量和支架压力的变化规律袁 发现两者相互影响袁 变化规律相近曰 实际矿压监测结果显示袁 工作面整体来压强度较低袁 多期来压以及机尾悬顶的出现袁 造成巷道部分区域变形严重袁 后期应加强支护袁 确保工作面安全高效回采遥关键词：综放工作面曰 矿压规律曰 数值模拟曰 循环放煤量曰 支架压力中图分类号：TD323文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0204-03Mine Pressure Law of 12-upper 301 Fully Mechanized Caving Face in BuertaiCoal MineLI Xuanliang(Buertai Coal Mine,Shendong Coal Group,CHN Energy,Ordos 017000,Inner Mongolia,China)Abstract:Exploring the mine pressure law of the 301 fully mechanized caving face in Buertai Coal Mine is of great significancefor mastering the movement law of overlying strata and formulating roadway support plans.By using numerical simulation,thechange law of circulating coal discharge and support pressure during the advancing process of the working face were obtained,andit was found that the two affect each other and the change law was similar;the actual mine pressure monitoring results show thatthe overall pressure intensity of the working face was relatively low,and the occurrence of multiple periods of pressure and thesuspended area at the tail of the machine had caused severe deformation in some areas of the roadway,and in the later stage,support should be strengthened to ensure safe and efficient mining of the working face.Key words:fully mechanized caving face;mine pressure law;numerical simulation;circulating coal discharge;support pressure（总第 215 期）实践运用2042023 年 8 月2023 年第 8 期根据数值模型，模拟与工作面不同距离下循环放煤量和支架压力的变化曲线（见图 2）。图 2与工作面不同距离下循环放煤量和支架压力变化曲线由图 2 可以看出，距离工作面最近时循环放煤量最大，达到 18.2 m3；随着与工作面距离的增大，循环放煤量呈现循环变化的趋势，各峰值点处的放煤量分别为 12.37 m3，10.26 m3，5.60 m3，峰值放煤量呈现逐渐降低的趋势；整个过程中，最小循环放煤量为0.85 m3；支架压力的变化趋势与循环放煤量变化趋势相似，对应各个峰值点处的支架压力分别为 53.7 MPa，49.7 MPa，42.5 MPa，38.9 MPa，最小压力在距离工作面 27 m 处，为 28.3 MPa。根据图 2 可看出，支架压力的变化趋势主要受循环放煤量的影响，循环放煤量增大导致应力骤增，因此支架压力增大。顶煤上方包括砂质泥岩直接顶和细砂岩老顶两部分岩层，直接顶直接作用于顶煤，但是由于岩性强度较低，其力学性质和顶煤力学性质相似，往往容易形成整体的刚体结构。老顶虽然直接作用于直接顶，但是对顶煤有直接影响。以往研究表明，老顶硬度越大，放顶煤过程中，对顶煤的破碎作用越大，来压强度越高，来压步距越大。模拟过程中循环放煤量未呈现稳定降低的趋势，也是由顶煤与直接顶强度的差异造成。当直接顶冒落未能充填采空区时，间接造成了放煤量的降低，直接顶充满采空区是最理想的状态。实践证明，直接顶充填采空区的程度影响煤体的冒放性，压力增大会提高冒放性，顶板来压期间冒放性受到的影响较小。因此，循环放煤量和支架压力的变化趋势一致。3工作面矿压监测基于数值模拟分析，得到循环放煤量及支架压力并非呈现单调变化趋势，只要矿压显现在支护强度的20181614121086420605040302010循环放煤量；支架压力。036912151821242730与工作面的距离/m这种特殊性，采用数值模拟分析顶煤破碎特征及支架受力规律。采用 FLAC3D数值模拟软件，基于有限元分析法，根据综放工作面的实际参数建立数值模型。模型边界条件如下：1)数值模型的边界位置水平位移均为零，且只有边界处节点位置发生垂向移动；2)模型底部位置的垂直位移和水平位移均不随应力的变化发生，位移恒定为零；3)根据巷道埋深，将上覆岩层的重力以均质载荷的形式施加，岩层平均容重为 25 kN/m3，模拟过程中测压系数取恒定值 1.5。具体物理力学参数如表 1 所示。图 1301 综放工作面主运顺槽及辅运顺槽布置示意简图表 1301 综放工作面数值模拟岩性物理力学参数表岩性泊松比容重/（kN m-3）抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa内摩擦角/(毅)黏聚力/MPa颗粒半径/mm细砂岩0.2325.3258.347.5643.5837.867.830.50砂质泥岩0.2624.2631.533.2928.6436.582.680.35煤0.3315.2110.681.126.5830.681.680.21301 工作面辅运顺槽301 工作面301 工作面主运顺槽302 工作面辅运顺槽李宣良：布尔台煤矿 12 上 301 综放工作面矿压规律研究2052023 年第 8 期2023 年 8 月图 3工作面支架压力监测图5550454035302520151051 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41支架编号0合理范围内，巷道便可处于稳定状态。图 3 为工作面支架压力监测图，为了方便记录数据，分别将支架编号为 1，2，3，41。每间隔 1 个支架布置支架压力的监测点，得到支架压力的变化柱状图。由图 3 可看出，支架压力呈现波浪式起伏的变化规律，这与数值模拟结果相同；整个监测期间，支架平均压力为 38.79 MPa，最大压力为 45.60 MPa，最小压力为 28.90 MPa，最小压力与数值模拟结果相近，最大压力数值小于数值模拟结果，这可能是由实际放煤量的不同造成的。整体而言，支架压力均远小于其额定的最小压力 66 MPa，证明工作面整体来压强度低。除此之外，在工作面回采期间，共记录有 4 次来压，分别为机尾回采至 2 331.0 m，2 348.0 m，2 368.0 m，2 383.3 m 处，平均来压步距为 15.1 m。不同来压特征如下。当机尾回采至 2 331.0 m 时，工作面支架整体压力较大，支架最大压力为 45.60 MPa。此时工作面采高维持在正常水平，顶板没有淋水现象的发生，但是机尾与安全出口的距离较小，悬顶面积 12 m2，机尾顶板垮落。此时巷道容易发生片帮现象，应该针对性加强支护。当机尾回采至 2 348.0 m 时，工作面区域支架压力较大，支架最大压力为 45.10 MPa。该范围内顶板发生不同程度的破碎，尤其是机头三角区附近，悬顶面积达到 12 m2。机尾回采至 2 368.0 m 时，工作面区域内支架最大压力达到 43.50 MPa。此时机尾三角区悬顶面积约为4 m2，顶板破碎较为严重，301 综放工作面辅运输顺槽处锚索变形严重，但是未出现外露、断裂的现象，局部区域变形较大。机尾回采至 2 383.3 m 时，区域内部分支架的最大压力达到 45.10 MPa。此时工作面中部区域采高降低，因为中部顶煤以及直接顶破碎严重，机尾三角区悬顶面积为 6 m2，工作面片帮现象显现，片帮最深约 0.3 m，但是辅运顺槽 30 m 范围内支架状态良好，整体支护强度依旧满足要求。不同推进距离下悬顶面积统计如表 2 所示。综合上述讨论，布尔台煤矿 12 上 301 综放工作面矿压整体强度较小，支架提供的支护阻力满足生产要求，但是在回采过程中，多次来压影响使得巷道局部区域变形加大，后期需要进行针对性加强支护。4结论对布尔台煤矿 12 上 301 综放工作面的矿压规律进行了研究，得到以下主要结论：1)数值模拟结果显示，在与工作面不同距离处，循环放煤量与支架压力的变化规律相近，均呈现升高降低升高的循环变化趋势。其中最大放煤量为 18.2 m3，最大支架压力为53.7 MPa。2)实际工作面支架压力监测期间，支架最大压力为 45.60 MPa，最小压力为 28.90 MPa，平均压力为38.79 MPa，整体来压强度低于支架支护强度。3)工作面回采期间，巷道共来压 4 次，来压步距为 15.1 m。多次来压造成巷道部分区域围岩变形严重，后期需要针对性进行加强支护，以保证工作面的顺利回采。参考文献：1郭守坤，吴军峰.浅析综放工作面矿压显现与瓦斯变化关系 J.煤，2022，31(10)：94-96.2任兵兵.150503 综放工作面矿压观测及巷道维护分析 J.能源与节能，2022(5)：56-58.3魏建军.综放工作面矿压规律研究 J.能源与节能，2021(6)：11-12.4李斌胜.经坊煤矿综放小煤柱工作面矿压监测设计及实践研究 J.山西煤炭，2022，42(1)：86-92.5程德中.榆树坡矿 5105 综放工作面矿压显现规律探索 J.江西煤炭科技，2021(4)：30-32.6焦卫军，段书文.枣泉煤矿 130203 综放工作面矿压显现规律的研究 J.内蒙古煤炭经济，2021(5)：43-44.（编辑：高志凤）日期机头位置/m机尾位置/m平均日进尺/m机头悬顶面积/m2机尾悬顶面积/m22022-10-172 321.82 319.07.0062022-10-182 329.52 329.28.912122022-10-192 338.42 338.18.96122022-10-202 347.62 348.69.80122022-10-212 356.22 356.38.21202022-10-222 366.22 365.79.7002022-10-232 373.02 371.46.3642022-10-242 381.42 381.49.2106表 2不同推进距离下悬顶面积统计表206