大采高綜放工作面覆巖運動規律研究

郭瑞永

(大同煤礦集團馬道頭煤業公司， 山西 大同 037000)

1 前言

隨著礦井開采技術的成熟和機械化水平不斷發展，大采高綜放開采技術已經成為厚煤層開采的發展方向。但是大采高會導致工作面圍巖所承受應力增大，巷道圍巖在縱向和橫向上運動范圍增大，容易引發冒頂、片幫，影響工作面的安全回采[1-3]。而大采高也會導致工作面支架阻力增加，支架穩定性差，可能會出現由于阻力不足導致支架壓死的現象，對設備造成一定的損害[4]。因此，研究大采高綜放工作面覆巖運動規律，對控制圍巖破壞和支架選型等具有重要的指導意義。

2 工作面概況

同煤集團某礦8105工作面位于北一盤區輔運大巷西部，切巷西部為鐵豐鐵路保護煤柱，北側為正在掘進的8106工作面，兩個工作面之間為DF24斷層保護煤柱，南側為規劃中的8104工作面。工作面四周均為實煤區，對應上部無采空區。工作面走向長度2 288m，傾斜長度220m。工作面煤層賦存3#～5#煤，煤層賦存穩定，厚度為3.76～6.53m，平均4.9m，為3、5#煤層合并區域。3～5#煤層有1～6層夾矸，平均厚度0.97m，巖性主要為泥巖、炭質泥巖，煤的普氏系數f=3。

3 覆巖運動規律數值模擬

3.1 模擬方案

采用UDEC建立大采高綜放工作面數值分析模型，通過不同采高工作面覆巖位移變化得到覆巖運動規律。根據8105工作面地質條件，建立200 m×100 m模型，將上覆巖層作用在工作面上方近似為均布載荷，巖層力學參數見表1。為了監測工作面覆巖運動規律，分別在工作面上方4m、8m、14m處布置3條水平測線監測垂直位移變化情況。

表1 模型各巖層力學參數

工作面回采后上覆巖層會出現“三帶”，通過模擬不同采高時冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的高度，得到大采高綜放工作面覆巖破壞情況與一般采高的不同之處，從而得到大采高綜放工作面覆巖運動規律[5-7]。

3.2 模擬結果分析

當工作面自開切眼回采至35m處直接頂初次斷裂，采用UDEC分別模擬采高2～7m，工作面覆巖破壞情況如圖1所示。

圖1 不同采高工作面推進至35m時覆巖運動

由圖1可知，不同采高的工作面推進至35m處，覆巖破壞情況各不相同。根據位于工作面上方4m處的監測線1#監測結果可知，覆巖縱向最大位移位于采空區中部位置。當采高為2m時，最大位移為1.4m，并且隨著采高的增大，工作面覆巖最大位移不斷增加，當采高增大到7m時，縱向位移增加到6.5m。1#監測線監測覆巖縱向位移值均較大，由此可知，1#監測層位覆巖已垮落，采高2～7m垮落帶高度均為4m。

根據位于工作面上方8m處的監測線2#監測結果可知，覆巖縱向最大位移位于采空區中部位置。當采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時，縱向最大位移為8cm、10cm、3.2m、4.3m、5.2m、6m。由監測數據可以看出，采高為4m時，覆巖位移突然快速增大，表明2#監測層位覆巖已經垮落。當采高小于4m時，工作面回采后該監測層位覆巖彎曲下沉與采空區矸石接觸承載；當采高大于4m時，該層位巖層垮落，不能繼續承載。

根據位于工作面上方14m處的監測線3#監測結果可知，當采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時，最大位移為6cm、8cm、10cm、4.0m、4.8m、5.5m。由監測數據可以看出，采高為5m時，覆巖位移突然快速增大，表明2#監測層位覆巖已經垮落，該監測層位巖層進入垮落帶。

從工作面上方4m、8m、14m處布置3條水平測線監測結果可知，當工作面采高為2～3m時，直接頂與采空區矸石接觸，冒落帶不在向上發育，穩定在一定的數值，直接頂上方形成離層；當工作面采高為4～7m時，直接頂垮落，不能形成穩定結構，冒落帶高度隨著采高增大不斷增加。8105工作面不同采高工作面覆巖冒落帶高度見表2。

表2 工作面不同采高冒落帶高度

4 不同采高覆巖結構研究

4.1 冒落帶研究

由表2數據繪制工作面不同采高覆巖冒落帶高度示意圖，如圖2所示。

圖2 不同采高冒落帶高度示意圖

由圖2可知，8105綜放工作面冒落帶高度隨著工作面采高的增加整體呈現增大的趨勢，但整體增大趨勢不是線性的，而是折線增大趨勢。由圖中可以看出，在個別拐點處呈現突變的趨勢，其原因是由于工作面覆巖出現關鍵層，關鍵層控制覆巖的運動。

4.2 離層研究

根據UDEC模擬數據繪制工作面離層隨采高變化示意圖，如圖3所示。

圖3 不同采高離層高度示意圖

由圖3可知，8105綜放工作面離層高度隨著工作面采高的增加整體呈現增大的趨勢，其主要原因時，隨著采高的增加，工作面上覆巖層運動空間增大，從而造成工作面覆巖運動劇烈，導致離層高度增大。

5 工作面覆巖運動現場探測

采用在8105工作面布置深基點的方式，對工作面覆巖運動規律進行現場探測，將現場監測數據與模擬結果比較。根據工作面地質條件，布置兩個深基點，分別為S50、Q50，其基點布置參數見表3。

表3 工作面覆巖深基點布置參數

根據深基點監測數據繪制工作面基點位移與推進距離示意圖，如圖4所示。

圖4 工作面不同推進距離基點讀數

在深基點監測過程中，當工作面自開切眼推進至15m處時，覆巖開始出現垮落的現象，但是支架在線監測系統顯示支架阻力沒有出現明顯增大，由此可以判定，當工作面推進至15m處時，工作面覆巖出現初次垮落。由圖4可知，當8105工作面推進至距離切眼29m處時，深基點S50讀數急劇增大，直至增大到300mm后保持穩定，由此表明，工作面初次垮落步距為29m。當8105綜放工作面推進至29m位置時，距離煤層頂板10m布置的S50深基點有位移，且呈現增大的趨勢，表明工作面推進至該位置時，頂板突然下沉。因此，由此可以判定工作面冒落帶高度為10m，與采用UDEC模擬軟件得到的數據大致相似。

由模擬結果和現場監測數據可知，8105綜放工作面初次垮落步距為29m，冒落帶高度為10m。

6 結論

(1)根據模擬結果可知，冒落帶高度隨著采高的增加呈現非線性增大趨勢，個別拐點處呈現突變的趨勢，其原因是由于工作面覆巖出現關鍵層，關鍵層控制覆巖的運動。離層高度隨采高的增加整體呈現增大的趨勢，工作面上覆巖層運動空間增大，從而造成工作面覆巖運動劇烈，導致離層高度增大。

(2)采用布置S50、Q50兩個深基點的方式布置監測隨工作推進基點位移，由監測結果可知，8105綜放工作面初次垮落步距為29m，冒落帶高度為10m。