上提工作面壓架危險性影響因素數值分析

摘 要：針對提高回采上限工作面易發生壓架事故，以某礦上提工作面地質條件為背景，采用FLAC3D數值模擬軟件建立了相應的分析模型，研究了基巖厚度、采高、支架工作阻力、面長、煤層傾角對采場頂板下沉量的影響。結果表明：上提面壓架危險性隨著基巖厚度、支架工作阻力和煤層傾角的減小而增大，隨著采高和面長的增大而增大。這些結論可為上提工作面壓架危險性預測及防治提供了理論依據。

關鍵詞：提高上限工作面；壓架事故；影響因素；數值分析；采高

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.086

提高回采上限，縮小防水煤柱高度，可以延長礦井第一水平服務年限，提高煤炭資源回收率。但是，由于回采上限的提高，煤層頂板巖性發生了變化，易發生工作面壓架事故，造成重大經濟損失。本文以某礦上提工作面煤層地質條件為背景，采用FLAC3D數值模擬軟件研究了支架工作阻力、采高、面長、煤層傾角各種因素對上提工作面壓架危險性的影響。

1 工作面概況

試驗面可采走向長度930m，面長120.7m，煤層總厚5.4m，煤層傾角平均13°，可采儲量62萬噸。原設計回采上限標高-390m，回風順槽實際頂板標高為-377.9～-385.4m，上方新生界松散層厚367.4～378.0m，“紅層”+中隔厚度為22.5～28.3m，提高上限開采4.6～12.1m，留設的最小煤巖柱厚為50.6m。

2 數值模擬模型構建

根據試驗面采掘工程平面圖建立數值計算模型。模型長320m，寬260m，高163m。采用摩爾-庫侖準則計算。本區新生界底界面往下垂深30m為風氧化帶，回采上限為新地層界面下垂深55m。

3 上提工作面覆巖運移特征

上提工作面采場圍巖控制的關鍵在于工作面頂板下沉量要控制在一定范圍內，保證支柱具有行程，工作面支架不被壓死。所以本文以采場頂板下沉量為評價指標，對比分析了不同開采地質條件下上提工作面壓架危險性。

圖1為頂板下沉量變化曲線，從圖中可以看出，由于試驗面為走向長壁提高回采上限工作面，工作面兩順槽埋深不一樣，基巖厚度不一樣，所以，頂板下沉量呈非對稱出現。頂板下沉量峰值位置不是出現在工作面中部位置，而是當觀測點距離機巷70m時，頂板下沉量達到最大值1268.4mm。總的來說，工作面中上部位置由于基巖厚度較薄，頂板不易形成“砌體梁”平衡結構，所以，頂板下沉量要大于中下部。

4 上提面壓架危險性影響因素

4.1 采高對壓架危險性的影響

采高不僅是“三下”開采導水裂隙帶高度預計的重要參數，而且還是上覆關鍵層破斷塊體能否形成穩定的“砌體梁”鉸接平衡結構，采場礦壓顯現是否強烈的重要影響因。以初始模型為基礎，僅改變采高，研究了采高分別為3m、4m、5m時采場頂板下沉量。

工作面采高由5m減小到3m時，頂板下沉量迅速減小，在工作面兩端頭頂板下沉量隨采高的減小逐漸減小，當測點距離兩順槽大于10m后，頂板下沉量隨采高的減小而迅速減小。當采高為5m時，頂板下沉量最大值為1441mm，當采高降為3m時，頂板下沉量最大值降為762mm。所以，對于上提面在保證支架活柱具有一定行程下，降低采高可有效控制采場頂板下沉量。

4.2 支架工作阻力對壓架危險性的影響

在原模型的基礎上通過改變支護強度，分析了弱（0.425MPa）、中（0.85MPa）和強（1.7MPa）不同支護強度下采場頂板下沉量當支護強度降為為0.425MPa（3200KN）時，頂板下沉量最大值迅速增加到1687.0mm，就有可能在工作面中上部首先發生壓架事故。

4.3 面長對壓架危險性的影響

試驗面為零階段提高上限開采工作面，設計面長120.7m，那么在現有的地質、開采條件下，回采上限是否可以進一步提高，工作面面長是否可以進一步加長？是提高回采上限開采需要探討的問題。在原模型的基礎上，膠帶順槽位置保持不變，回風順槽沿煤層傾向向外移動30m，研究工作面面寬增加到150m時上提面礦壓顯現特征。

工作面面長增加了30m，相當于回采上限又提高了6.93m，上順槽基本布置在風氧化帶內，基巖厚度減薄，工作面頂板下沉量急劇增大。在工作面中下部，工作面面長變化對頂板下沉量影響不大，兩條曲線基本重合。當觀測點距離機巷大于60m后，即工作面超過回采上限，工作面面長變化將對頂板下沉量造成一定的影響。最大頂板下沉量由面長為120m時的1268.4mm增加到面長為150m時的1351.7mm，約增加了100mm。頂板下沉量的增加，就有可能發生壓架事故。

5 工程實踐

試驗面于2016年2月5日開始回采，于2016年7月15日順利回采結束，共生產原煤97.79萬t，最高月產達23.10萬t。其中通過縮小防水煤柱，提高回采上限多產煤炭48.90萬t。說明該工作面支架選項合理，工作面設計滿足要求。

6 結語

（1）上提面支架工作阻力越大，頂板下沉量就越小，就越不容易發生壓架事故。（2）工作面面長越長，采動就越充分，頂板下沉量就越大，尤其是走向長壁工作面，增加面長，風巷上方的基巖厚度減薄，壓架危險性就會增加。（3）煤層傾角越小，可能整個工作面都處在回采上限之上，就具有較高的壓架危險性。

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作者簡介：寧濤（1986-），安徽宿州人，本科，助理工程師，從事生產技術管理工作。