不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年 月 收稿日期：；：基金项目：中国博士后基金面上资助项目（）作者简介：李建光（），男，山西河曲人，高级工程师，年毕业于辽宁工程技术大学，长期从事煤矿安全生产管理工作。引用格式：李建光，张超 不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究李建光，张超，（山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 忻州 ；中国矿业大学（北京），北京 ）摘要：针对山西宁武榆树坡煤矿不规则采空区下特厚煤层综放开采的问题，采用 数值模拟软件，模拟分析了下层特厚煤层综放开采过程中受上覆不规则采空区影响下的矿压显现规律，得到了采空区与工作面不同空间位置关系下顶板岩层应力演化及位移变化特征。结果表明：上覆不规则采空区与工作面的空间位置关系对工作面矿压规律影响较为显著，工作面推进至上覆采空区影响范围内顶板岩层应力及位移变化均有显著增大，研究可指导采空区下特厚煤层开采矿压控制。关键词：采空区；特厚煤层；综放开采；矿压规律中图分类号：文献标志码：，（，；（），）：，：；：煤炭在相当长的一个时期内仍是我国主体能源，在能源安全兜底保障方面起到重要作用。我国厚煤层及特厚煤层分布广泛 ，综合机械化放顶煤开采是特厚煤层实现高产高效的重要开采方法，特厚煤层综放工作面安全高效开采对我国煤炭工业安全稳定发展至关重要 。特厚煤层综放工作面表现出开采几何尺寸增大、采动效应强烈、覆岩结构演化复杂等新特征，带来了特厚煤层综放强采动顶板运移及矿压控制技术难题，严重制约特厚煤层安全高效发展 。而在不规则采空区下方，采空区下和煤柱下特厚煤层综放开采表现出不同的覆岩运动及矿压特征矿压规律，多次采动引起应力叠加导致 年第 期煤炭科技第 卷工作面矿压显现特征十分复杂 。因此，亟须对不规则采空区下特厚煤层综放开采矿压显现规律开展研究。针对榆树坡矿不规则采空区下特厚煤层综放强采动过程矿压与围岩控制难题，通过建立不规则采空区下特厚煤层开采数值模型，分析采空区下工作面不同位置处应力演化及围岩变形规律，揭示采空区下特厚煤层综放面矿压显现特征，以期指导综放面矿压控制难题，促进特厚煤层综放面的安全高效开采，对榆树坡矿特厚煤层开采及类似条件矿井具有重要的理论意义和工程价值。工程背景榆树坡矿位于华北地区宁武煤田北部，矿井主采的 号及 号煤层位于太原组下部。号煤层采煤工艺为一次采全高，号煤层采煤工艺为低位放顶煤。综放工作面位于 号煤层一采区，工作面标高 ，埋藏深度为 ，煤层厚度为 ，平均煤厚 ，煤层倾角为 。工作面上覆存在 号煤层 、和 采空区。工作面与 号、号煤巷道对照如图 所示，号、号煤层间距 。图 榆树坡矿 号、号煤层对照 综放工作面煤层结构简单，煤层底板多为砂质泥岩，灰黑色含植物化石和云母碎片，平均厚度 ；伪顶主要为平均厚度 的砂质泥岩，黑色砂质泥岩含黄铁矿；直接顶平均厚度为 ，主要为深灰色细砂岩，成分以石英为主，颗粒分选性和磨圆度差；基本顶主要是深灰色砂质泥岩，断面呈贝壳状、有砂质物，平均厚度为 。砂质泥岩的单向抗压强度为 ，平均 。工作面综合柱状如图 所示。数值模拟由 号、号煤层巷道对照图（图 ）可知，综放面上方分别存在不规则的 和 工作面采空区，且 工作面采空区的影响范围较大。基于以上分析，采用 离散元数值软件，模拟不规则的 和 工作面采空区对 综放工作面的矿山压力影响规律，并对 综放工作面应力演化规律和综放面顶板覆岩移动变形特征进行分析，得到上煤层不规则采空区对下煤层综放工作面的矿压规律的影响变化特征。建立的模型长 宽 高为 ，模型四周各留设 的边界煤柱，用来消除边界条件对应力演化过程的影响，并对模型四周和模型底部分别进行水平方向和垂直方向的位移约束。考虑模型上方存在 岩层没有建立，在模型顶部施加等效补偿均布载荷 。此外，综放面工作面长 宽 高为 ，不规则采空区下综放工作面矿压规律三维数值模型如图 所示，顶底板与煤层物理力学参数见表 。年第 期李建光，等：不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究第 卷图 工作面综合柱状 图 数值模拟方案示意 表 各岩层物理力学参数 岩性密度（）体积模量 剪切模量 黏聚力 内摩擦角（）厚度细砂岩 粉砂岩 细砂岩 号煤层 砂质泥岩 粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 中砂岩 粗砂岩 号煤层 粗砂岩 粉砂岩 细砂岩 砂质泥岩 粗砂岩 依据上煤层不规则的 和 工作面采空区与下煤层 综放面之间的空间位置关系，当正常开采 综放面时，受到上煤层不规则采空区的影响，综放面在回采过程中产生 个阶段。第阶段：综放面推进 时，此时综放面开采未进入采空区影响区；第 阶段：综放面推进 时，工作面位于 工作面采空区正下方、未进入 工作面采空区，此时工作面主要受 工作面采空区影响；第 阶段：综放面推进 时，综放面受两侧采空区影响；第 阶段：综放面推进 时，综放面主要受到 工作面采空区影响，而 工作面采空区至综放面距离逐渐增大，影响逐渐减小。基于 综放面与上煤层 和 工作面采空区的位置关系，数值模拟具体步骤为：首先对模型进行初始平衡，待完全初始平衡之后，开挖上煤层不规则的 和 工作面采空区，以及下煤层 运输平巷和 回风平巷，开挖之后进行运算至模型重新平衡；然后，依次开挖第 阶段、第阶段、第 阶段和第 阶段，每次开挖之后，将模型运算至平衡；最后，对开挖 次产生的数据文件进行处理和数据分析。结果分析 综放面顶板岩层应力演化规律在 综放面顶板粉砂岩岩层中部位置取垂直应力剖面云图，剖面距离综放面顶板 ，得到 年第 期煤炭科技第 卷个开采阶段的垂直应力云图如图 所示，不同开采阶段顶板监测线垂直应力曲线如图 所示。图 不同开采阶段顶板垂直应力云图 图 不同开采阶段顶板监测线垂直应力曲线 （）随着 综放面不断推进，顶板岩层卸压范围不断增大，直至推进结束，顶板岩层全部垮断；在第 阶段和第 阶段垮落带中部顶板出现应力增大，可能由于垮落带顶板岩层不断垮断堆积于中部位置，重新压实作用导致。（）第 阶段时，顶板岩层支承应力在距综放面前方 处达到应力峰值，呈现三角形区域范围，应力峰值 ，应力集中系数 。由于受到 采空区侧向支承压力作用，导致峰值应力处于采空区正下方。（）第 阶段时，顶板岩层在综放面前方 位置呈三角形的应力增高区，峰值应力 ，应力集中系数 ；而且靠近 采空区一侧顶板岩层应力集中明显（），可能由于 和 采空区侧向支承应力叠加影响，导致 综放面受到的侧向支承压力影响较严重。（）第 阶段时，顶板岩层在综放面前方 位置出现三角形应力增高区，与前 个阶段相比，峰值应力大幅降低，降至 。主要原因是 采空区范围缩小，并远离 采空区影响，受到两采空区侧向支承应力作用减弱，顶板来压强度减小。第 阶段时，综放面顶板岩层全部垮断。年第 期李建光，等：不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究第 卷 顶板岩层位移变化规律根据 综放工作面不同推进阶段，分别沿模型 轴和 轴绘制等值线，并选择在 综放面上方 位置的顶板岩层中部做剖面，提取垂直位移绘制三维曲面，不同推进阶段的顶板岩层等值线和三维曲面如图 所示。由图 可知，随着 综放面的不断推进，沿轴，直接顶最大垂直位移量分别达到 、；沿 轴，直接顶最大位移量分别达到 、，说明 综放面随着不同阶段推进，直接顶随采随断。对比第 阶段、第 阶段与第 阶段可见，直接顶最大垂直位移量在推进至第 阶段发生大幅度增高，在 轴和 轴方向的垂直位移增幅分别达 倍和 倍。可见，推进至第 阶段时直接顶出现严重的垮断现象，可能由于上煤层 和 工作面采空区侧向支承应力叠加交汇，引起应力增高和矿压增大，导致直接顶严重垮断变形，这一研究结果也与应力分析结论相一致。当工作面推进至第 阶段时，综放面直接顶全部垮落，破碎岩体在采空区堆积压实，导致采空区中部的部分岩体垂直位移大于 。图 不同开采阶段顶板岩层垂直位移等值线和三维曲面 年第 期煤炭科技第 卷根据上述分析结果，将 个不同的推进阶段进行对比分析，得到不同开采阶段 综放面顶板岩层应力和变形的特征值，见表 。由表 可知，当 综放面推进至第 阶段时，顶板岩层峰值应力达到 ，回风平巷峰值应力达到 ，顶板岩层垂直位移最大值为 ，顶板岩层完全垮断破坏，回风平巷围岩变形量达到 ，矿压显现显著。而且，综放面开采至 工作面采空区下方时，综放面矿压较大，尤其是靠近 采空区一侧，综放面前方煤壁垂直应力达到 。说明在综放面推进至第 阶段时，综放面受到上煤层不规则 和 工作面采空区侧向支承压力影响，导致两侧的支承压力聚集至 综放面煤体和顶板岩层，造成矿压增大的情况。此外，由于 运输平巷与上煤层 工作面采空区斜跨交叉，当 综放面推进至第 阶段时，运输平巷受到上煤层采空区侧向支承压力影响较大，并且在巷道尾端也受到 工作面采空区侧向支承压力的影响，导致巷道应力增高、变形量增大。表 不同开采阶段 综放面顶板岩层应力和变形特征 开采阶段应力场演化规律 （顶板岩层峰值应力）位移场变形规律（顶板岩层位移最大值）矿压显著性第 阶段 明显第 阶段 显著第 阶段 稍弱第 阶段 综上所述，综放工作面在开采至第 阶段时，工作面煤壁和顶板岩层矿压显现严重，围岩变形较大，工作面推进至此阶段需要加强支护并采取必要的卸压措施。矿压控制措施工作面煤壁和顶板岩层矿压显现严重，工作面部分架段顶板破碎、拖顶困难，煤壁片帮严重，决定在强矿压影响段使用煤岩加固材料对破碎顶板与煤壁进行超前加固，采用的加固材料为固复佳（煤矿加固煤岩体用硅酸盐改性聚氨酯材料）。在支架前梁下方 处煤壁向顶板方向倾斜 钻一深为 的钻孔，钻孔间距 ，加固现场如图所示。图中白色胶状物质即为注浆加固材料，加固后煤壁完整性较好，保障了支架正常运行与工作面安全开采。图 破碎区域注浆加固实拍 结论研究了不规则采空区下综放面顶板和巷道应力演化规律以及位移场变形规律，得到不同开采阶段下综放面矿压显现规律变化特征。（）当 综放面开采至第 阶段时，顶板岩层在工作面煤壁前方 区域内呈现三角形应力增高区，主要由于 和 工作面采空区侧向支承压力向中部煤柱扩展导致形成的。而且，煤壁前方 区域，峰值应力达到 ，同时 回风平巷峰值应力达到 ，工作面来压较强。（）对比不同开采阶段可知，工作面开采至第 阶段，直接顶岩层变形量最大值达到 ，与第 阶段相比增幅 倍，矿压显现较严重。（）综放面受到上煤层 和 工作面采空区的影响，主要表现在第 阶段的工作面来压特征，以及第 阶段的 运输平巷矿压应力集中和变形特征。参考文献（）：于斌 大同矿区特厚煤层综放开采强矿压显现机理及顶板控制研究 徐州：中国矿业大学，孟宪锐，王鸿鹏，刘朝晖，等 我国厚煤层开采方法的选择原则与发展现状 煤炭科学技术，（）：，（）：兰奕文 千万吨级特厚煤层综放面强采动巷道围岩变形机理及控制研究 徐州：中国矿业大学，王金华 综放开采是解决厚煤层开采难题的有效途径 煤 年第 期李建光，等：不规则采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究第 卷炭科学技术，（）：，（）：孔令海 特厚煤层大空间综放采场覆岩运动及其来压规律研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：于雷，闫少宏 特厚煤层综放开采顶板运动形式及矿压规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，常聚才，谢广祥，张学会 特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机制分析 岩土力学，（）：，（）：李化敏，蒋东杰，李东印 特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征 煤炭学报，（）：，（）：李振华，王伸 特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机理及控制 煤炭科学技术，（）：，（）：王帅帅 特厚煤层开采覆岩结构演化对区段煤柱稳定性影响研究 淮南：安徽理工大学，杜贝举 坚硬顶板特厚煤层临空巷道强矿压机理及控制研究 徐州：中国矿业大学，赵鹏翔，王超，李树刚，等 巨厚煤层综放开采上覆临近采空区裂隙二次演化特征分析 采矿与安全工程学报，（）：，（）：黄志增 特厚煤层采空区下综放开采顶板岩层破断规律 煤炭科学技术，（）：，（）：，成云海，姜福兴，庞继禄 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