大采高壁式鉆采工作面圍巖穩定性數值分析與監測研究

徐 薇 劉 波,2 閆振東 李 鵬 高 雷

(1. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083；2. 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；3. 晉城煤業集團金鼎煤機礦業有限責任公司，山西省晉城市，048006)

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大采高壁式鉆采工作面圍巖穩定性數值分析與監測研究

徐 薇1劉 波1,2閆振東3李 鵬1高 雷1

(1. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083；2. 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；3. 晉城煤業集團金鼎煤機礦業有限責任公司，山西省晉城市，048006)

以晉煤集團趙莊2號井鉆采工作面為例，采用有限差分數值模擬和現場監測相結合的方法，對使用鉆采法采煤工藝的大采高壁式鉆采工作面的礦壓顯現特征進行了研究。模擬計算結果表明，圍巖豎向應力的分布呈現雙峰型；在工作面前方的應力升高區，超前支承壓力峰值范圍平均為7.2 m，影響范圍為55 m。回風平巷頂板下沉、兩幫移近的現場監測值與模擬計算值吻合較好。綜合模擬計算得出的超前支承壓力影響范圍，建議在工作面平巷超前55 m的范圍內，同時需注意頂板、兩幫的活動變化，加強巷道支護。

鉆采法 大采高 數值模擬 圍巖豎向應力

大量的資源整合礦井由于缺少相應的采煤工藝和高效機械化綜采設備，仍采用簡易機采或炮采的方式進行生產，安全性差、生產效率低、產量低、工作環境惡劣、資源丟失嚴重，這一問題在厚煤層中小型礦井中更為突出。晉煤集團研發了一種能滿足厚煤層中小型礦井安全高效生產的新型一次采全高鉆采法采煤機。該采煤工藝和配套綜采設備，適應于10 m以上的短工作面，不僅可用于常規壁式大采高工作面開采，還可用于回收小塊段資源和大型煤柱，將解決大型綜采設備無法應用于資源相對分散、儲量相對較少的中小型礦井的開采難題，促進我國中小型礦井安全高效生產與機械化程度提高。

本文通過有限差分法數值模擬和現場實測相結合的方法，以晉煤集團趙莊2號井短壁大采高鉆采工作面為依托，對新型一次采全高鉆采法采煤工藝的實例應用及礦壓顯現特征進行研究，指導大采高壁式鉆采工作面的安全生產，為該采煤工藝的推廣應用和安全保障提供技術支撐。

1 工程概況

1.1 工作面簡介

趙莊2號井短壁大采高工作面采用一次采全高的采煤工藝，開采3#煤層，煤層厚5.3～6 m，平均厚度5.36 m；煤層傾角1°～8°，平均3°；普氏硬度0.4～1.3；埋深413～437 m，平均421 m。直接頂為厚1.8 m的泥巖，老頂為厚1.6 m的粉砂巖，直接底為厚1.0 m的泥巖，老底為厚2.4 m的粉砂巖。工作面采用傾斜短壁、全部垮落、后退式綜合機械化一次采全高采煤工藝，工作面傾向長度90 m，走向長度298 m，采高5.0 m，循環進尺1.2 m。工作面配置1部MG120/181-NWD型單滾筒采煤機和61組ZY5500/24/52型兩柱掩護式輕型液壓支架，工作面布置如圖1所示。

1.2 工作面來壓情況

工作面從開始開采到推進至155 m共發生8次周期來壓。老頂來壓影響時間為3 d左右，老頂初次來壓步距為45.0～46.9 m，平均45.9 m；動載系數最大值為1.72，最小值為1.46，平均值為1.59。周期來壓期間，垮落步距最大值為19.4 m，最小值為6.1 m，平均值為13.2 m；動載系數最大值為1.77，最小值為1.17，平均值為1.42，強度較小。周期來壓呈現來壓步距小、頻率高、強度低的特點。

圖1 大采高壁式鉆采工作面布置圖

2 工作面圍巖穩定性數值模擬

2.1 數值模型的建立

為分析工作面圍巖應力場演化及豎向應力的變化，運用FLAC3D軟件進行三維數值模擬。計算模型x方向外擴展2倍工作面傾向長度，為270 m；y方向外擴展1倍工作面走向長度，為600 m；z方向老底、直接底、煤層、直接頂、老頂厚度和為12 m，沿老頂向上取73 m、沿老底再向下取55 m，以消除尺寸效應。采用理想彈塑性Mohr-Coulomb本構模型。在開挖區域采用六面體單元劃分。所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面為z方向位移固定，左右邊界為x方向位移固定，前后邊界為y方向位移固定。三維模型如圖2所示，各巖層的物理力學參數見表1。

表1 巖層的物理力學參數表

圖2 數值模型示意圖

2.2 圍巖應力場演化分析

模擬時，按照正常工作面的布置順序進行。當老頂完全屈服時，停止計算。工作面直接頂開始大面積垮落時，工作面進尺為12 m；老頂開始垮落時，進尺為36.5 m，初次垮落基本結束時，工作面進尺為38.4 m。由于切眼的寬度為8.5 m，計算取整后，直接頂垮落步距取21 m，老頂初次垮落步距取48 m，隨后按3 m/次的開挖步距模擬開采過程，計算得在工作面推進過程中沿走向方向的部分豎向應力云圖如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3、圖4和圖5可知，隨著工作面的推進，自開切眼起煤層上覆巖層開始形成壓力拱，豎向應力云圖演示了上覆巖層壓力拱的形成、向上發育至最高部位、不再向上發展而繼續向水平方向發展的過程。在工作面的推進過程中，上覆巖層豎向應力的演變有以下特征：

圖3 工作面推進至21 m時直接頂垮落前豎向應力云圖

圖4 工作面推進至48 m時老頂初次垮落前豎向應力云圖

圖5 工作面推進至120 m時老頂周期垮落前豎向應力云圖

(1)模型開挖邊界至回采工作面控頂距末端為應力降低區，即支架后方采空區，隨著采空區頂板的及時垮落，豎向應力迅速降至零(或接近零)；

(2)工作面控頂距內上部為應力釋放區，在該區域內煤層面上的應力很小，其應力分布形式與數值計算模型中支架施加給頂板的支護強度相對應；

(3)垮落前工作面煤壁前方應力急劇升高并在某個距離內達到峰值應力為應力升高區，即煤體的塑性區。該區域內應力急劇增加，煤層發生壓縮和破壞，是煤壁片幫破壞的關鍵區域；

(4)應力峰值點至模型右邊界為應力恢復區，該區域內遠離應力峰值點煤巖層受開挖的采動影響越來越小，應力分布規律一般按負指數規律遞減，并逐漸恢復到原巖應力；

(5)切眼后方亦存在一個應力較高區域，在沿整個走向方向上，豎向應力分布呈現雙峰型。

2.3 各階段豎向應力變化分析

工作面推進至各階段時，豎向應力變化曲線如圖6所示。由圖6可知，工作面前方始終有一個應力升高區，且隨著工作面的逐步推進，該應力升高區在沿工作面走向方向是一個不斷前移的動態過程。工作面前方的應力升高區，超前支承壓力峰值范圍平均為7.2 m，峰值介于16.32～19.04 MPa，而原巖應力為10.05 MPa，則應力集中系數為1.62～1.9；得出工作面超前支承壓力影響范圍為55 m。

圖6 工作面推進不同距離時的豎向應力曲線

2.4 工作面采場圍巖的豎向應力分析

為更好地分析工作面開采后的支承壓力分布變化，在工作面傾向左擴展至-75 m、向右擴展至175 m，在工作面走向向前擴展至350 m，進行豎向應力分析。模擬當工作面推進至300 m時，工作面采場圍巖的豎向應力分布如圖7所示。

同理于工作面走向方向的豎向應力分布，在沿工作面整個傾向方向上，其豎向應力分布也呈現雙峰型。在進風平巷、回風平巷中，靠近采煤體幫面上的應力隨著工作面的推進迅速降至為零。而向進風平巷、回風平巷外側的煤柱延伸，即不斷接近未開采煤層的屈服區時，應力迅速增加，并隨著煤層內巖石性質的變化，在某個距離上達到峰值應力，之后逐漸降低至原巖應力。

圖7 工作面采場圍巖的豎向應力分布

2.5 工作面巷道圍巖表面位移分析

在模擬工作面推進的過程中，對回風平巷超前70 m范圍內的頂板下沉、兩幫移近量進行分析，如圖8所示。由圖8可知，頂板下沉量累積最大值為69 mm，兩幫移近量累積最大值為182 mm。在距離工作面55 m以外時，巷道頂板與兩幫變形量很小；在距離工作面55 m以內時，二者的變形量開始急劇增加。

圖8 巷道頂板下沉、兩幫移近

3 巷道圍巖表面位移工程監測

巷道表面位移是評價巷道支護效果的重要指標，包括頂底板移近量和兩幫移近量。考慮到現場實際情況，在回風平巷工作面超前70 m處設置收斂監測斷面，布置頂板、左幫、右幫3個觀測基點，采用JSS30A型數顯收斂計進行測讀，通過幾何計算，對超前70 m范圍內的頂板、兩幫變形量進行分析。

在回采過程中，隨著工作面的向前推進，當回風平巷監測點位置距工作面的距離只有14m時，受超前液壓支護設備的影響，位移監測結束，回風平巷頂板、兩幫變形量的a、b兩組實測值與模擬計算值對比如圖9所示。由圖9可知，監測期間回風平巷頂板下沉量累積最大值為38 mm，兩幫移近量累積最大值為144.4 mm。觀測點在距離工作面50 m以外時，巷道頂板與兩幫變形量很小；回采過程中，隨著工作面逐步靠近觀測點，當觀測點距離工作面50m以內時，二者的變形量開始急劇增加。實測得出的變形量急劇增加范圍與模擬計算的結果基本吻合，驗證了模擬計算的準確性。在工作面超前55 m的范圍內，應注意頂板、兩幫的活動變化，加強巷道支護。

圖9 巷道頂板下沉、兩幫移近實測值與模擬計算值的對比

4 結論

(1)大采高壁式鉆采工作面老頂初次來壓步距平均為45.9 m；周期來壓期間垮落步距最大值為19.4 m，最小值為6.1 m，平均值為13.2 m；周期來壓呈現來壓步距小、頻率高、強度低的特點。

(2)在沿工作面走向方向和工作面傾向方向上，圍巖豎向應力的分布均呈現雙峰型。模擬計算得出工作面前方的應力升高區，超前支承壓力峰值范圍平均為7.2 m，峰值介于16.32～19.04 MPa，應力集中系數為1.62～1.90；工作面超前支承壓力影響范圍為55 m。

(3)在工作面開采推進過程中，進行了回風平巷頂板下沉、兩幫移近的監測。監測結果表明：回風平巷頂板下沉、兩幫移近的實測值與模擬計算值結果吻合較好。結合模擬得出的超前支承壓力影響范圍，建議在工作面平巷超前55 m的范圍內，同時需注意頂板、兩幫的活動變化，加強巷道支護。

[1] 鄧小鵬. 大采高工作面覆巖運移規律及礦壓顯現特征特殊性研究 [J]. 中國煤炭，2017(3)

[2] 李子豪. 大采高工作面開采技術研究 [J]. 中國煤炭，2014(6)

[3] 曲秋揚，毛德兵. 大傾角大采高綜采工作面支架工作阻力分布特征研究 [J]. 中國煤炭，2014(3)

[4] 弓培林，靳鐘銘. 大采高采場覆巖結構特征及運動規律研究 [J]. 煤炭學報，2004(1)

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[6] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州: 中國礦業大學出版社，2003

[7] 閆振東. 一次全高、后退、分體移動、全跨落綜合機械化采煤方法及設備[P]. 中國發明專利: 200610048328, 2007-3-21

(責任編輯 陶 賽)

山西省上半年新增煤炭產能16810萬t

山西省煤炭工業廳發布《山西省煤炭工業廳關于2017上半年建設煤礦產能情況的公告》顯示，截至6月底，山西省共有建設煤礦343家，合計新增產能16810萬t/a。上述煤礦中，大部分屬于資源整合礦井，新建煤礦有5家，合計產能3520萬t/a；改擴建煤礦5家，新增產能800萬t/a，其余均為資源整合煤礦。上述煤礦中，進入聯合試運轉的有44家，合計產能2270萬t/a。隸屬五大集團的煤礦共有100家，其中焦煤集團共有建設煤礦38家，合計新增產能2756萬t/a；同煤集團共有建設煤礦8家，合計新增產能360萬t/a；陽煤集團共有建設煤礦12家，合計新增產能471萬t/a；潞安集團共有建設煤礦12家，合計新增產能1247萬t/a；晉煤集團共有建設煤礦30家，合計新增產能882萬t/a。

Numericalanalysisandmonitoringresearchonsurroundingrockstabilitywithlargeminingheightbydrilling-spallingmethod

Xu Wei1, Liu Bo1,2, Yan Zhendong3, Li Peng1, Gao Lei1

(1.School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Haidian, Beijing 100083, China;2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology, Haidian, Beijing 100083, China;3. Jincheng Coal Mining Group Kingding Mining and Machinery Co., Ltd., Jincheng, Shanxi 048006, China)

Based on a drilling-spalling work face project of Zhaozhuang No.2 Mine of Jincheng Coal Mining Group, using numerical simulation and field monitoring, the characteristics of rock pressure appearance of large mining height work face by using drilling and mining method was studied. Numerical analysis results indicated that the distribution of vertical stress of surrounding rock displayed a double-peak curve. In the stress rising areas in front of work face, the average range of advancing support pressure peak value was 7.2 m, and the influence range was 55 m. Field monitoring results accorded with the numerical calculating results. Combined with the simulation influence range of advancing support pressure, the movement of roof and bolted walls needed to be focused on during construction and the roadway supporting should be strengthened within the advanced range.

drilling-spalling method, large mining height, numerical simulation, vertical stress of surrounding rock

國家自然科學基金(41472259)，“十三五”國家重點研發計劃重點專項(2016YFC0802505)

徐薇，劉波，閆振東等. 大采高壁式鉆采工作面圍巖穩定性數值分析與監測研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(8)：56-60. Xu Wei, Liu Bo, Yan Zhendong, et al. Numerical analysis and monitoring research on surrounding rock stability with large mining height by drilling-spalling method [J]. China Coal，2017,43(8)：56-60.

TD326

A

徐薇(1989-)，女，安徽淮南人，在站博士后，現在中國礦業大學(北京)工程力學博士后流動站工作，從事地下工程方面的研究。