綜放開采與分層開采沖擊地壓防治數值模擬對比研究

吳子科,陶三寶（.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037; . 中煤科工集團南京設計研究院有限公司,南京 003）

綜放開采與分層開采沖擊地壓防治數值模擬對比研究

吳子科1,陶三寶2
（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037; 2. 中煤科工集團南京設計研究院有限公司,南京 210031）

摘 要：通過利用數值模擬軟件RFPA，從客觀上將深部較厚煤層的分層分采工作，與放頂煤開采工作進行仔細的研究和對比，主要是在支承壓力充分分部動態過程和能量釋放特征兩個方面進行對比，并搜集相關資料與數據，對綜放開采、分層開采沖擊低壓的特征進行深入的研究。另外，在與具體的工程相互結合后，提出了一些比較有效的方法，對工作面開采的戰略性防治意義較大。在大量的實踐后，發現比較適用于有沖擊危險可能性較深的厚煤層當中。為此，在今后的開采工作中，應將放頂煤開采作為主要的手段來進行，同時，還要在具體的開采工作中，結合一系列的戰術防治或者是局部地段的特殊防治，形成一整套、有體系的方法，從而完善深部厚煤層沖擊地壓的防治體系。

關鍵詞：沖擊地壓；數值模擬；綜放開采；分層開采

0 引言

沖擊地壓在現階段的工作中，是巖石力學比較重要的難題，從現階段的研究來看，很多研究人員，都對沖擊地壓開展了深入的研究，無論是在理論研究上還是在實踐的工作中，包括強度理論、剛度理論等等，每一個部分在實際的應用中，都取得了較為突出的成績。

姜耀東[4]總結了我國煤礦沖擊地壓災害發生的特點，分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯系和區別，建立了煤礦沖擊地壓的3 種力學模型: 材料失穩型沖擊地壓、滑移錯動型沖擊地壓和結構失穩型沖擊地壓。

王存文[5]則從構造形成機制的角度分析構造區的應力環境，并運用礦山壓力理論、數值模擬等探討斷層、褶皺、相變誘發沖擊地壓的機理。

本文利用RFPΑ數值模擬軟件分別對綜放開采和分層開采進行了對比模擬分析，結合工程應用，完善深部厚煤層沖擊地壓防治體系。

1 綜放開采與分層開采的數值模擬分析

3107工作面是某煤礦東翼一采區3層煤綜采放頂煤工作面，傾斜寬81m，走向長度1015m。該工作面北120m為正在回采的3111工作面，3111工作面采用分層開采方法。

1.1 模型的建立

本次模擬計算分為兩大部分：第一部分，3107工作面，在綜放開采的過程中，采場推進方向上，其應力分部與聲發射分布特征模擬計算，這部分計算結果必須精確化進行。第二部分，3111工作面分層開開采的過程中，采場推進方向上，應力以及聲發射分布的特征模擬計算。二者的計算都是以模擬計算為主，并結合實際情況來研究開采方法的不同頂板應力及省發生的分布情況。

圖1 計算力學模型圖

將采場的縱剖面作為具體的計算區域，在計算過程中，采用應用平面應變模型，了解計算的變化和內容的加深。從模型選取的角度來說，模型的左邊界、右邊界、下邊界，采用固定約束，促使煤層只能在垂直應力方面受到頂部巖層自重的作用。另一方面，巖層力學參數，主要是假定符合韋伯分部的條件，之后再按照各個分層來進行相應的賦值工作。在本次計算過程中，巖層破裂主要采用的是庫倫——莫爾強度準則來進行判斷，具體的計算模型見圖1。

在計算模擬當中，采場的采深設定為800米，模型的具體形狀為長方形，長度達到了300米，高度被設定為100米，水平方向為300個單元，垂直方向設定為100個單元，共計是3萬個單元。另一方面，為了保證計算的精確和符合實際工作，每一個單元，其所代表的煤巖層數值，設定在1.0米。之后，我們主要是根據RFPΑ軟件所具有的功能和特點，進行相關的數值模擬工作。在模型的加載過程方面，主要選擇的上部巖層的自重加載，在客觀工作上，還要對煤巖層進行相關的簡化，主要簡化的內容是改變煤巖層的自身容量，減小厚度。

1.2 數值模擬分析

通過數值模擬分析研究，3107工作面采用綜采放頂煤開采方法，3111工作面采用分層開采方法，3107工作面與3111工作面的聲發射分布、對巨厚礫巖層頂板影響、垂直應力集中程度對比如圖2—7所示。

圖2 放頂煤開采推采10m的發射分布

圖3 分層開采推采10m的發射分布

圖4 放頂煤開采推采110m對頂板影響

圖5 分層開采推采110m對頂板影響圖

對比圖2和3、圖4和6、圖6和7可知：

（1）在實際的工作中，當采用放頂煤開采時，煤壁前方支承壓力影響范圍比分層開采影響范圍大。但是，在測算后，發現支承壓力的峰值卻是比較小的。同時，峰值在具體的出現位置上，超過了在前煤壁的距離，超出的范疇比較大。所以，在具體的開采工作中，運用放頂煤的開采方法，對減少煤層沖擊地壓的發生，具有較大的積極意義。

（2）綜采放頂煤在開采的過程當中，能量的釋放范圍是非常大的，但在釋放過程中，并不是一次性釋放的，而是呈現出一種緩和釋放的狀態。對于分層開采而言，能量釋放的范圍相對較小，但是釋放的能量量級是非常大的，在釋放過程中，表現出了非常劇烈的情況，很容易導致沖擊地壓的出現，這是非常危險的。

（3）在實際的工作中，通過利用綜采放頂煤的開采方法，工作面的推進速度在一定程度上有所減慢，這就有利于進行頂板垮落和能量的釋放，對于操作人員的安全來講，是非常重要的。同時，在大量的研究和應用后，發現因關鍵層的運動而產生的礦震可能性，大大的減小，實現了安全化生產。

（4）綜采放頂煤的開采工作，在集中程度方面，要比分層開采的更小一些。在實際的工作中，倘若運用分層開采工作，煤壁前方彈性壓力能夠在很大程度上實現較為集中的狀態，因而在發生沖擊地壓的概率上，也是比較高的。所以，在現實工作中，并不建議應用分層開采工作。

圖6 放頂煤開采推采40m采垂直應力集中程度圖

圖7 分層開采推采40m垂直應力集中程度圖

1.3 實測工作面走向支承壓力及位移移近量對比分析

根據工程實測，3107工作面和3111工作面的位移移近量、應力變化實測結果如圖8、9、10、11所示。

圖8 3107綜放面軌道順槽巷道移近量圖

圖9 3111綜采面軌道順槽巷道移近量圖

圖10 3107綜放面軌道順槽支承壓力分布圖

圖11 3111綜采面軌道順槽支承壓力分布圖

根據3107綜放工作面以及3111分層綜采工作面的相關數據得知，二者在工作面軌道順槽巷道圍巖變形量、支承壓力分部規律等方面的對比中，具有較大的差異。因此，提出了一些具體的工作面開采前的戰略性防治的辦法：在現實工作中，對于具有沖擊危險可能性深厚部的煤層開采工作，其開采方法，應首先選擇放頂煤開采。

1.4 工作面危險區域的確定

在本次研究工作中，3107工作面采用的是放頂煤開采的相關技術來進行回采工作的，因此在內力場的影響上，其范圍要比分層開采更大一些。經過實際的調查和研究，發現在實際的綜放開采工作面當中，工作面軌道巷道發生沖擊地壓的具體區域之中，能夠結合較多的數據和實用的技術，對煤層是否應用放頂煤進行開采，進行一個較為全面的判斷。從客觀的角度來說，現有的開采條件，基本上能夠滿足放頂煤的開采標準，從技術的角度來看，側向支撐壓力的高峰地區，多數情況下，距離煤壁大概是有25米左右。另外，在內應力場的影響范圍上，主要是徘徊在10米左右。在支撐壓力的影響范圍內，主要是徘徊在45米左右，其影響的范圍，則集中在70米--80米之間，具體見圖12。

圖12 綜放開采側向支承壓力分布狀態

通過與3111工作面的詳細對比和分析，認為利用綜放開采側向支承壓力的相關分部規律，能夠較好的確定工作面側向支承壓力明顯影響的區域，基本上就可以確定為是可能發生沖擊地壓的危險區域。從得到的結果來看，該高應力的區域，可以初步的判定為，能夠發生沖擊地壓的危險區域，因此需要作為重點區域來對待。另一方面，高應力的區域，在大量的測量和計算后，上下順槽超前煤壁前方大概0米—40米的區域當中，應該存在40米寬的范疇；工作面上下部各10m范圍內沖擊地壓危險區域如圖13所示，圖中陰影部分為深部厚煤層綜放采場沖擊地壓危險區域。

圖13 3107工作面危險區域示意圖

2 沖擊地壓防治

2.1 開采過程中戰術性防治

（1）在3107的工作面初級開采階段中，支承壓力的形態，主要表現為高峰位置在煤壁邊緣的單調下調曲線，該曲線能夠在實際上反映出較多的內容，為操作和開采人員，提供較多的參考和指導。另一方面，在本面支承的壓力當中，上下面的側向支承壓力，會在煤體的內部形成一種較強的疊加狀態。值得注意的是，疊加區域距上下側采空邊緣的10m—0.45m范圍內，需要采取一些特殊的措施，例如爆破等等，以此來破壞工作面的煤壁形態，之后通過人為工作，制造出10m以上的緩沖地帶，以此來更好的保證工作面，不會出現破壞性的沖擊地壓。

（2）在工作面初次的來壓工作中，支承壓力將會表現出重新分布的特點，這就給操作造成了很多的壓力。例如，在動態過程中，比較容易形成局部的較高應力作用，所以必須要特別注意。本文認為，在初壓的工作期間，工作人員應進行有效的頂板動態監測工作，以此來獲得更多的數據和資料。值得注意的是，采取放慢的推進速度和形成范在10米以上的緩沖帶，該緩沖帶能夠在客觀上，較好的組織沖擊地壓的出現，為日常工作提供較多的安全保障。

（3）在工作面的正常推進當中，我們還是要在很多的方面進行注意，絕對不能出現任何絲毫的差錯。結合以往的工作經驗和當下的工作標準，倘若是范圍較大的內應力場，則能夠在客觀上，對工作面的沖擊地壓起到較強的緩沖作用，以此來維護操作的安全。但是，我們在周期的來壓期間，還是要采取針對性的頂板動態監測工作，與客觀工作和主觀訴求相結合，實施有效的解決危機的措施。

從以上的分析來看，工作面在日常的開采工作中，煤壁前方大概10米的地區，存在緩沖帶，并且是一直都存在的，該區域必須得到有效的保障。同時，在未來的工作中，我們還需要積極的結合頂板的放慢推進速度的相關措施，避免破壞性的沖擊地壓出現，實現日常開采工作的穩步進行。

2.2 局部特殊地段防治

順槽沖擊地壓的最危險區域為老頂斷裂、應力發生變化的區域，采用頂板動態法，判定該區域的范圍，并采取預先解危措施，可實現順槽在初放期間的安全。對該區域采取“監測—解?！O測”的動態防治措施，同時按沖擊能量釋放規律，放緩推采速度（按3.0m/天考慮），通過采取調斜工作面等措施，軌道順槽超前運輸順槽13～15m，使沖擊能量在空間上分區域得到釋放，實現對沖擊地壓的控制。

3 結語

利用RFPΑ分別對分層開采和放頂煤開采進行了對比模擬分析，結合工作面實際開采情況，得出了以下結論：當采用放頂煤開采方法時，煤壁前方支承壓力分布范圍比分層開采時分布范圍廣，能量釋放范圍增大，說明放頂煤開采對采場圍巖系統的擾動程度比分層開采時擾動程度大，有利于集中應力的釋放；煤壁前方支承壓力峰值較分層開采時峰值較小，峰值出現的位置距離煤壁的距離超前于分層開采時的距離。

參考文獻：

[1]宋振騏.實用礦山壓力與控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1988.

[2]陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[3]潘立友，鐘亞平.深井沖擊地壓及其防治[M].北京：煤炭工業出版社,1997:28-30.

[4]姜耀東,潘一山,姜福興等.我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治[J].煤炭學報,2014,39(02):205-213.

Jiang Yaodong, Pan Yishan, Jiang Fuxing．State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China［J］．Journal of China Coal Society,2014,39(2):205-213．

[5]王存文,姜福興,劉金海.構造對沖擊地壓的控制作用及案例分析[J].煤炭學報,2012,37(02):263-268.

[6]史元偉，陳社杰.回采工作面底板巖層控制[M].北京:煤炭工業出版社,1993:26-35.

[7]鄒德蘊,劉先貴.沖擊地壓和突出的統一預測及防治技術[J].礦業研究與開發,2002,22(01):16-19.

[8]王磊.采厚對支承壓力分布及動力災害的影響研究[D].安徽:安徽理工大學,2006.

[9]潘俊峰.沖擊危險性厚煤層采動應力場研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2006.

作者簡介：吳子科（1982-），男，山東濟寧人，碩士，工程師，主要從事：煤礦安全的研究與評價工作。