鎮城底礦綜采工作面礦壓顯現規律分析

仝 元

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

在煤礦的開采過程中，如何采取經濟、合理的措施實現采場圍巖穩定是煤炭生產企業一直關心的問題。由于綜采工作面礦壓顯現規律的復雜性[1-4]，許多問題仍需仔細研究。不少專家學者對于綜采工作面的礦壓顯現規律進行了深入研究[5-7]，并且得出了非常有價值的研究結論。但是，對于過斷層的綜采工作面頂板運動規律研究的較少。本文以鎮城底礦28107綜采工作面圍巖為觀測對象，研究該工作面頂板運動及其礦壓顯現規律和對選用支架的適應性進行評價，對回采巷道礦壓顯現進行實測，為采場圍巖控制提供可靠的技術參數，為回采巷道超前支護的范圍和強度確定提供了依據。

1 概述

1.1 工作面概況

鎮城底礦28107工作面位于南一下組采區，南西接南一下組皮帶、軌道上山，北部為28109工作面(己回采)，南部為28112，28110，28108工作面，東部為未采區。工作面標高848～876 m，地面標高1127～1179 m，工作面面積60704 m2，傾斜長度115 m，走向長度502 ～567 m。28107工作面主采8#煤層，8#煤層發育穩定，煤層平均厚度為5.2 m。煤層直接頂為泥巖，平均厚度0.8 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度11.6 m，直接底為細砂巖平均厚度11.44 m。煤層整體呈背斜構造，煤層傾角4°～8°，平均6°。在掘進中共揭露9條正斷層，其中FS50，FS51，F5，F6，F7對回采影響較大。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

基于鎮城底礦煤礦28107綜采工作面開采時的技術條件及地質條件，建立數值模型，該模型中采用的煤巖層節理的力學參數見表1，同時在建立該模型時，對煤巖層分別進行了賦值。

2.2 數值模擬過程分析

（1）頂板運動規律模擬分析

表1 28107 綜采工作面煤巖層塊體力學參數

本次模擬選取了工作面的頂板在工作面依次推進至15 m、47 m、57 m時的運動規律，具體模擬效果見圖1。

圖1 頂板運動規律模擬

當工作面推進至15 m時，液壓支架后方的直接頂開始彎曲下沉并與基本頂之間出現離層，然后逐漸斷裂，進而開始冒落，最終直接頂變成大量不規則巖體充填采空區。當工作面推進至47 m時，液壓支架后方的直接頂已經基本冒落結束；之后基本頂逐漸斷裂、下沉與上覆巖層之間出現離層，基本頂與直接頂之間的離層逐步被壓實。基本頂在斷裂后不斷下沉并將壓力傳遞給液壓支架，出現了基本頂的初次來壓。當工作面推進至57 m時，上覆巖層在重力的作用下出現彎曲下沉現象并且組合巖梁出現周期性斷裂、下沉，直接頂與基本頂之間的離層逐步被壓實，基本頂將壓力傳遞給液壓支架，出現了基本頂的第一次周期來壓。

（2）支承壓力分布規律分析

本次模擬的是當工作面向前推進15 m、47 m、57 m時，在該工作面推進方向上支承壓力的分布規律，具體模擬效果見圖2。

圖2 支承壓力分布規律模擬

當工作面推進到15 m左右時，采空區上方直接頂處為應力最小，因為此時該處直接頂處于緩慢下沉狀態，并未直接受到上覆巖層一次向下傳遞的應力；然后，以此處為中心，應力向外側依次增大；在煤壁前方一定的范圍內，有應力增高處，這是因為上覆巖層在此處有應力集中，而且這種應力集中前后基本呈對稱分布，再向外應力分布基本穩定。當工作面推進到47 m左右時，采空區中部上方范圍內的基本頂斷裂、離層處應力最低，因為此時基本頂斷裂處未直接受到上覆巖層的壓力，僅處于懸空狀態；在工作面前方一定范圍內，有應力集中處，這是由于基本頂回轉下沉所致，應力集中的最大值在將要開采的煤壁處，此時煤壁容易出現片幫的事故；再向前方的范圍內，未開采煤層中的應力逐漸趨于穩定。當工作面推進到57 m左右時，直接頂與基本頂的離層處應力最低，因為此時直接頂處于懸空狀態，以此處為中心，向外側擴展，應力逐漸增大；在采空區前后側，應力分布狀態基本一致，且呈現對稱分布的特點，在工作面前方一定范圍內的煤壁中，有應力集中的現象，這是因為工作面基本頂第一次周期來壓的原因，再向前方的范圍內，應力逐漸趨于穩定。

（3）塑性區分布規律分析

本次模擬的是當工作面向前推進15 m、47 m、57 m時，塑性區的分布規律，具體模擬效果見圖3。

圖3 塑性區分布規律模擬

從圖3中可以看出，工作面圍巖的塑性區隨著工作面的不斷推進而不斷擴大；當工作面推進至15 m時，塑性區的整體范圍最?。划斖七M至57 m時，塑性區的整體范圍最大。工作面前后兩側的塑性區狀態一般呈現對稱分布?；卷敽椭苯禹數钠茐姆秶饕诓煽諈^上方集中，之前發生破壞的范圍占整個塑性區范圍的大部分，正在破壞的范圍較少，工作面煤壁的前后方頂板巖層拉伸破壞的主要集中區域[5]。

3 現場實測結果與分析

3.1 支架工作阻力監測結果

根據液壓支架的監測結果，整理和分析，繪制出28107綜采工作面的支架循環末阻力見圖4。

圖4 支架循環末阻力

由圖4可知，28107綜采工作面直接頂的初次來壓步距分別為16.8 m，基本頂的初次來壓步距為48.3 m，基本頂的前六次周期來壓步距依次為9.7 m、11.0 m、11.0 m、14.5 m、14.3 m、9.6 m。安全閥在整個監測過程中無開啟現象，工作面支護效果良好[6]。

3.2 支架載荷分布圖

由圖5可知，支架載荷5～20 MPa的占55.58%，20～25 MPa占24.96%，25～45 MPa占19.46%，支架初撐力普遍偏低，支架的支護阻力有較大富余支撐頂板，且富余量較大。ZY13000/26.5/57D型支撐掩護式支架適應該面生產技術條件[7]。

圖5 28107工作面支架載荷直方圖

3.3 順槽圍巖變形監測結果

圖6 28107工作面巷道圍巖變形測點分析

由圖6可以看出28107軌順90 m范圍內巷道壓力顯現不明顯，頂底累計移近量最大值為：74 mm，兩幫累計移近量最大值為：85 mm。超前影響范圍56 m，劇烈影響范圍為19 m。28107運順80 m范圍內巷道壓力顯現較明顯，頂底累計移近量最大值為：575 mm，兩幫累計移近量最大值為：450 mm。超前影響范圍37 m，劇烈影響范圍為23 m。

4 結語

1）28107 綜采工作面直接頂的初次來壓步距分別為16.8 m，基本頂的初次來壓步距為48.3 m，基本頂的前六次周期來壓步距依次為9.7 m、11.0 m、11.0 m、14.5 m、14.3 m、9.6 m。

2）28107 軌順90 m以內壓力顯現不明顯，最大超前影響范圍為56 m，劇烈影響范圍最大為19 m。28107運順80 m以內壓力顯現不明顯，最大超前影響范圍為37 m，劇烈影響范圍最大為23 m。

3）28107 綜采工作面支架初撐力普遍偏低，支架的支護阻力有較大富余支撐頂板，且是富余量較大。ZY13000/26.5/57D型支撐掩護式支架適應該面生產技術條件。