不同采煤方法開采深部厚煤層超前支承壓力對比分析?

李春睿（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

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不同采煤方法開采深部厚煤層超前支承壓力對比分析?

李春睿
（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

摘 要深部厚煤層開采深度大、工作面礦壓顯現劇烈，利用FLAC3D數值模擬技術結合試驗工作面的實際條件，研究了分層開采和綜放開采時圍巖應力分布情況。研究結果表明兩種開采方法的高低應力分區特征基本相同，但超前支承壓力峰值不同：上分層開采超前支承壓力峰值大于下分層開采超前支承壓力峰值大于綜放開采超前支承壓力峰值，且綜放開采的超前支承壓力峰值深入煤壁的距離較大，能夠有效降低工作面煤壁前方的應力集中程度。

關鍵詞深部開采 厚煤層 圍巖應力分布 采煤方法

隨著煤礦開采向深部發展，開采過程中遇到的技術難題之一是工作面礦壓顯現越來越強烈，為了解決這一難題，本文利用數值模擬的方法對分層開采和綜放開采過程中工作面的超前支承壓力分布情況進行了研究，并進行了現場試驗，取得了顯著效果。

1　工作面概況

試驗工作面所采煤層為近水平煤層，煤層厚度為6.3 m，工作面走向長度為2200 m，傾斜長度為150 m，埋深約為850 m，工作面頂底板巖性和厚度如表1所示。

與試驗工作面相同煤層的其他工作面均采用分層開采，開采過程中發現存在的主要問題為工作面埋深大，礦壓顯現非常劇烈，煤壁片幫現象嚴重，易發生片幫漏頂事故，處于工作面超前支撐壓力影響范圍內的回采巷道變形嚴重，阻礙了工作面設備的正常推進，需要超前工作面30 m進行巷道擴幫。為了解決這一難題，本文研究綜放開采和分層開采對工作面超前支承壓力的影響，進而確定試驗工作面的合理采煤方法。

表1　工作面煤層頂底板情況

2　不同采煤方法圍巖應力分布數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

為了研究綜放開采和分層開采對工作面礦壓顯現的影響，利用FLAC3D數值模擬軟件分別模擬兩種開采方法條件下圍巖應力分布情況。

根據試驗工作面的煤巖層綜合柱狀圖建立FLAC3D數值模擬模型，為了減少模擬運算量，將其中巖性相近的巖層合并后按一層處理，模型中各巖層的物理力學參數如表2所示。采用等效載荷代替模型上方未模擬的巖層，模型底面和4個立面采用固定法向位移約束，頂面采用根據埋深計算后的等效載荷約束。

表2　模型中各煤巖層物理力學參數

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 分層開采超前支承壓力分布

模擬分層開采時將煤層分為上下兩層開采，先采上分層3 m厚的煤層，待上分層采完且圍巖穩定后再采下分層3 m厚的煤。建模過程中，通過降低上位煤層的彈性模量到原來的1/8，來模擬開采下分層時煤層上方垮落的巖石。為了觀測開采過程中圍巖應力的變化情況，在煤層中沿工作面走向每隔1 m設置一個監測點，監測點沿工作面傾向位于工作面中部，垂直方向上位于采高的中間位置，監測結果如圖1所示。

圖1　不同開采方法工作面超前支承壓力分布曲線

分析曲線可知，開采頂分層時，超前支承壓力煤壁前方3 m處出現峰值，應力集中系數為1.9，峰值壓力達到46.8 MPa。開采底分層時，超前支承壓力在工作面前方4 m處出現峰值，應力集中系數1.6，峰值壓力為40.8 MPa。采用分層開采深部厚煤層時在煤壁與超前支承壓力峰值之間其超前支承壓力隨著離煤壁距離的增加升高速度較快。

2.2.2 綜放開采超前支承壓力分布

為了研究不同采放比對工作面超前支承壓力的影響，模擬4種開采方案。方案1的采放比為1∶5，方案2的采放比為1∶2，方案3的采放比為1∶1，方案4的采放比為1∶0.5。觀測點設置同分層開采，監測結果如圖1所示。當采放比為1 ∶5時，超前支承壓力峰值為37.3 MPa，應力集中系數為1.44；當采放比為1∶2時，超前支承壓力峰值為37.4 MPa，應力集中系數為1.44；當采放比為1∶1時，超前支承壓力為38.1 MPa，應力集中系數為1.47；當采放比為1∶0.5時，超前支承壓力為38.6 MPa，應力集中系數為1.48。由綜合對比分析可知，綜放開采時超前支承壓力峰值基本不受采放比的影響。因此，采用綜放開采厚度一定的同一煤層時，工作面采高的確定不需考慮對超前支承壓力的影響。

2.2.3 不同開采方法工作面超前支承壓力分布對比

采用分層開采、綜放開采（割煤高度為3 m）時工作面煤壁前方支承壓力的對比曲線如圖2所示。

圖2　不同采煤方法初采期間煤體應力對比圖

通過對比分析可知，各采煤方法高低應力分區特征基本相同，但超前支承壓力峰值的大小不同:上分層開采超前支承壓力峰值大于下分層開采超前支承壓力峰值大于綜放開采超前支承壓力峰值；且峰值深入煤壁的距離也不同，綜放開采超前支承壓力峰值距煤壁距離大于上分層開采超前支承壓力峰值距煤壁距離大于下分層開采超前支承壓力峰值距煤壁距離。可見相比分層開采，采用綜放開采時超前支承壓力峰值位置更加深入煤壁且應力集中系數較小，有助于降低工作面煤壁片幫程度，有助于降低巷道在超前支承壓力區域的變形量。因此，試驗工作面確定采用綜放開采。由于綜放開采時采放比對超前支承壓力影響不大，確定采高時無需考慮對超前支承壓力的影響，結合本礦現有設備情況確定采高為3 m。

3　不同采煤方法圍巖應力分布的現場實測

為了檢驗研究結果的正確性，采用鉆孔應力計對綜放試驗工作面和分層開采工作面（采上分層，采高3 m）的超前支承壓力大小及影響范圍進行檢測，觀測結果如圖3所示。

圖3　綜放試驗工作面與分層開采工作面超前支承壓力分布

對比分析實測結果，相比于分層開采，綜放開采超前支承壓力峰值較低，且峰值距離工作面煤壁較遠，現場實測結果與數值模擬結論一致。在實際開采過程中，與本煤層采用分層開采的工作面相比，綜放試驗工作面礦壓顯現不明顯，煤壁片幫程度較低，巷道變形較小，無需進行超前擴幫。

綜合數值模擬和現場實測結果，開采深部厚煤層時，綜放開采與分層開采相比能從一定程度上降低超前支承壓力峰值大小并使峰值位置更深入煤壁，有利于降低應力集中程度，進而緩解了工作面的礦壓顯現程度。

4　結論

（1）對于同一煤層采用綜放開采時，割煤高度的變化不會引起超前支承壓力峰值的顯著變化，因此，割煤高度對工作面超前支承壓力區域的巷道變形情況影響不明顯。

（2）采用不同的采煤方法時，超前支承壓力的峰值大小不同:上分層開采大于下分層開采大于綜放開采；且峰值位置深入煤壁的距離不同:綜放開采大于上分層開采大于下分層開采。

（3）相比分層開采，綜放開采有利于減弱工作面煤壁片幫，降低巷道在超前支承壓力區域的變形量，更適用于深部厚煤層開采。

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（責任編輯 張毅玲）

Contrastive analysis of advanced bearing pressures in the mining process of deep and thick seam with different mining methods

Li Chunrui
（Coal Mining& Designing Department，Tiandi Science& Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

AbstractThere was fierce strata behaviors in working face of deep and thick seam，based upon the actual conditions of test working face，the stress distributions in surrounding rocks when using slicing mining method and fully mechanized caving method were studied by numerical simulation software FLAC3D.The results showed that the two kinds of mining methods had basically the same stress distribution characteristics，while the peaks of advanced bearing pressures were different. The peak of advanced bearing pressure when higher slicing mining was bigger than that when lower slicing mining，while the peak of advanced bearing pressure when fully mechanized caving mining was smaller than that when lower slicing mining and the peak position was farther from the coal wall，which could effectively reduce the stress concentration degree in front of the coal face.

Key wordsdeep mining，thick coal seam，surrounding rock stress distribution，coal mining method

中圖分類號TD823

文獻標識碼A

基金項目：?中國煤炭科工集團青年創新基金項目（2013QN006）

作者簡介：李春睿（1979－），男，吉林九臺人，副研究員，博士，2003年畢業于遼寧工程技術大學，現從事礦壓與圍巖控制研究工作。