謝橋礦大采高工作面超前支撐壓力分布規律

朱 丹，張 帆

（1.江西省煤田地質勘察研究院，江西 南昌 330000；2.中鼎國際礦山隧道建設分公司，中國 南昌 330000）

現階段我國能源結構仍以煤炭為主，在煤炭生產總量中緩傾斜厚煤層占40%以上。大采高綜采已經成為厚煤層綜采的主要發展方向之一。查明大采高綜采面超前支撐壓力的分布規律對掌握大采高礦壓顯現規律，優化支護參數，防治煤壁片幫冒頂，確保工作面正常安全回采具有十分重要的現實意義。

1 工作面地質概況

淮南礦業集團謝橋煤礦1311（3）工作面位于-610m水平東二采區，工作面標高-408.1m～-463.4m。該工作面走向長度1150m，傾斜長221.3m。該面煤層總體穩定，局部地段有煤厚變薄現象。根據上、下順槽實見煤厚點及鉆孔資料，煤層總厚為2.90～6.50m，平均5.32m。煤層頂底板巖性情況見圖1。

2 數值模擬實驗方案

2.1 模型的建立

根據工程地質條件建立1311（3）大采高綜采工作面三維數值計算模型（見圖2）。由于研究的重點在于回采進行時采場的超前支撐壓力，為提高計算速度，在工作面長度方向考慮500m，并將采場設在邊界100m 外以減小邊界效應的影響。模型長×寬×高=500m×420m×150m，工作面推進方向沿y軸正方向。模型底部控制z方向位移，四周約束水平位移，將上覆巖層自重換算成均布載荷加載到模型頂部。

圖1 1311（3）工作面綜合柱狀

圖2 模型斜視

2.2 力學參數的選取

本例采用近似理想彈塑性模型，破壞準則選用Mohr-Coulomb準則，各巖層具體力學參數見表1。

表1 巖石力學性質參數選取

2.3 數值模擬方案

由于1311（3）工作煤層起伏較大，最薄處不足3m，最厚處達到6.5m，因此本文擬建立6個模型，煤層的厚度取值分別為1.5m、2.5m、3.5m、4.5m、5.5m 及6.5m。然后根據工作面推進方式分步模擬開挖，分別獲得不同采高時工作面推進一定距離后的超前支撐壓力分布情況，并在計算過程中提取數據（見圖3、圖4）。

圖3 不同采高下超前支撐壓力峰值

圖4 不同采高下超前支撐壓力峰值作用范圍

3 數值模擬結果分析

由圖3和圖4可知，工作面超前支撐壓力與采高呈如下關系：隨著采高增大，超前支撐壓力峰值不斷減小，且曲線呈"凸"拋物線型，減小趨勢明顯；但峰值作用范圍增大，在采高為6.5m 時，峰值作用范圍接近采高為1.5m 時的2倍。由下經驗公式可知：

采高的增大導致兩帶高度變大〔2〕，煤體所需支撐的覆巖重量其實是增加了的。但是由于煤體強度相對較弱，在高應力作用下，煤體發生破壞，且應力越大，破壞范圍越大，煤體以發生破壞的方式“緩解”應力峰值，這也是大采高工作煤體易發生片幫的原因所在。因此大采高工作面確定采高時煤體強度也是需要考慮的因素之一。合理選擇采高也是控制煤壁發生片幫冒頂的一種方法。

4 結語

通過數值模擬的方法分析了不同采高情況下1311（3）工作面超前支撐壓力的分布規律，即隨著采高增大，超前支撐壓力的峰值變小，但其作用范圍增大。并且給出了峰值大小及作用范圍隨采高的變化曲線。峰值的作用范圍增大，是導致大采高工作煤壁片幫的重要原因之一。根據本文的分析結果，并綜合考慮現場煤機最小通過高度及支架最大支撐高度，最終確定工作面最低采高不小于3.2m，煤層增厚處最大采高不得大于4.8m，最小采高不小于4.4m。初放期間采高控制在3.6～4.0m。工作面自2011年9月回采至今，沒有發生工作面大面積片幫和端面冒頂等現象，實現了礦井的安全高效生產，并為本礦其他類似條件的大采高工作面開采提供了寶貴經驗。

〔1〕錢鳴高.礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

〔2〕侯忠杰.斷裂帶基本頂的判別準則及在淺埋煤層中的應用〔J〕.煤炭學報，2003，28（1）：8-12.

〔3〕弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究〔D〕.太原理工大學，2006.

〔4〕余忠林，涂 敏.大采高工作面沿空掘巷合理位置模擬與應用〔J〕.采礦與安全工程學報，2006，23（2）：197-200.

〔5〕煤炭科學研究院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用〔J〕.北京：煤炭工業出版社，1981.