淺埋深大采高工作面長度變化對采場礦壓規律的影響

王 澤

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

淺埋深煤層由于其特殊的賦存條件，其礦壓顯現具有如下特征：來壓步距小，來壓強烈；工作面覆巖垮落基本上為垮落帶和斷裂帶“兩帶”；工作面上方頂板破斷運動直接波及地表；來壓的主要特征是頂板大面積冒頂并呈現臺階下沉。其礦壓特征受諸多因素的影響，如地表松散層厚度、基巖層厚度、地表地形、上覆巖層性質等客觀地質因素和采高、推進速度等主觀可控因素[1-3]。

目前，井下采場礦壓理論和假說具有代表性的主要有：壓力拱假說、懸臂梁假說、砌體梁理論、鉸接巖塊假說、傳遞巖梁理論、關鍵層理論等[4-6]。但上述理論和假說主要聚焦于采場推進方向的頂板覆巖結構和礦山壓力顯現規律，且大都認為采場支架載荷與采場推進時形成的臨時結構及煤層厚度有關，而與工作面長度關系不大。對于無關鍵層的淺埋深、厚基巖松軟頂板采場的工作面長度變化對采場礦壓規律影響的有關研究尚未發現。本文以鐵煤集團敬老院煤礦為例，分析了淺埋深、厚基巖松軟頂板情況下，工作面長度方向的“壓力拱”結構，并通過數值模擬和現場觀測的方法研究了不同工作面長度的礦壓特征。

1 工程概況

鐵煤集團敬老院煤礦現開采4-2煤層，結構簡單，煤厚2.30～4.01m，平均煤厚3.3m，平均單軸抗壓強度為11MPa，傾角0°～4°。煤層瓦斯含量較小，含硫量高。煤層自然發火期為3～6個月，極易自燃。煤層埋深120.2m，基巖以泥巖和泥頁巖為主，屬第四紀沉積。井下現場試驗和理論分析研究均表明，煤層上方巖層節理裂隙發育，無法形成梁、板及關鍵層結構。8406工作面走向推進長度為1455m，工作面長度為219m，8422工作面推進長度為1436m，工作面長度為130m，可采煤層厚度平均為3.17m。工作面支架有兩種型號：一種為ZZ6800，工作阻力為6800kN，初撐力5438kN；另一種為ZZ8800，工作阻力為8800kN，初撐力6240kN。兩種支架間隔一組交錯布置。端頭支架型號為ZTZ22500。

2 采煤工作面復合應力拱特點

采煤工作面的煤層被采出后，老頂呈現鉸接結構，與其上方的松軟覆蓋層互相作用，形成復合應力拱結構，如圖1所示。在該結構中，工作面一定范圍內的上覆巖層重量通過前后兩個拱腳傳遞到兩端實體煤內，拱內圍巖整體呈冒落拱形式下沉。由圖1可以看出，“外應力拱”的兩個拱腳“支撐”在工作面兩端的實體煤內，其跨度覆蓋整個工作面長度。“外應力拱”有兩個作用，首先要承擔懸空煤巖體的重量，其次還要把應力傳遞到“外應力拱”兩側的煤柱中。在“外應力拱”內，破碎煤巖體相互鉸接還會生成諸多的“內應力拱”，其與“外應力拱”以鉸接形式鏈接。隨著采煤工作面不斷推進，“內應力拱”不斷變化，最后與“外應力拱”合并。根據已有壓力拱理論[7]，“外應力拱”跨度可用式(1)計算：

圖1 應力拱計算簡圖

式中，hh為應力拱高度，m；b為應力拱跨度，m；f為工作面上覆巖層的堅固性系數，取2.5；d為工作面長度，m；a為工作面前后拱腳各自在煤體內占有的距離，m；hl為工作面煤厚，取3.3m，φ為頂板巖層內摩擦角，取30°。

通過“外應力拱”跨度計算式(1)可知，“外應力拱”的高度hh隨著采煤工作面長度d的變化而改變，且工作面長度d越大，則壓力拱高度hh越大，因而導致工作面頂板被壓碎破裂的程度就越大。

數據擬合結果表明：工作面上方壓力拱高度與工作面長度關系為二次多項式函數關系，且工作面長度超過240m后，應力拱的高度逐漸趨于恒定值，如圖2所示。

圖2 “應力拱”的高度與采煤工作面長度關系

3 數值模擬研究

3.1 數值模型的建立

上述采場復合應力拱特點分析結果僅僅考慮了工作面的長度因素，但沒有考慮采場推進長度的影響，而有關研究表明[6]：增加采空區寬度對巖石壓力拱影響最大；增加采空區長度對覆巖走向壓力拱的空間形態影響較明顯。另外，采場超前支承壓力影響范圍、壓力峰值的位置和大小等信息也無法從上述采場復合應力拱特點分析得到，這些未考慮的因素需要通過數值模擬方法進行分析研究。

敬老院煤礦4#煤厚度平均為3.3m，煤層為近水平煤層(平均傾角為2°)。實驗測試數目表明：4#煤層單軸抗拉強度、單軸抗壓強度和粘結強度分別為1.40MPa、10.51MPa和 8.61MPa，煤層彈性模量為4.28GPa，泊松比為0.33，內摩擦角為30.4°。本次數值模擬采用FLAC3D軟件為工具，所選用模型的走向長度、傾向長度和高度分別為200m、400m和120m，模型共劃分為58000個三維單元。計算模型模擬工作面長度分別為130m、180m、220m時，開挖過程中選取常用的摩爾-庫倫準則，從一側開挖，每一工作面長度都依次推進10m、30m、60m、90m、120m。通過以上步驟，模擬工作面充分采動后應力場特征。

3.2 數值模型結果分析

工作面長度分別為130m、180m、220m時在不同推進距離時支承壓力分布模擬結果如圖 3—5所示。 由圖3—5可知，不同工作面長度情況下，隨著工作面推進距離增加，工作面的圍巖應力場將發生變化，隨著采煤工作面推進距離逐漸增加，在其前方依次形成三個區，即：低壓區、高壓區和原始應區；同時隨著采煤工作面長度的遞增，工作面前方的支承壓力影響范圍、峰值位置和大小均有所不同。當采煤工作面長度為130m時，支承壓力的峰值位于其前方13m處，應力峰值為6.7MPa(工作面推進90m)，如圖3所示。當采煤工作面長度增加到180m時，支承壓力峰值位置處于煤壁前方8m處，應力峰值為7.5MPa(工作面推進60m)，如圖4所示。當工作面長度增加至220m時，支承壓力峰值位置位于煤壁前方8m，其峰值大小為8.5MPa(工作面推進50m)，如圖5所示。可見，隨著采面長度的遞增，其前方支承壓力的影響范圍會變大，其峰值位置也將愈加靠近采面煤壁，同時應力峰值也會增大。此后，當工作面長度繼續增加時，壓力的峰值位置將略有變化。當采面長度增至220m后，支承壓力的峰值基本上趨于恒定不變。

圖3 工作面長度為130m時在不同推進距離時支承壓力分布

圖4 工作面長度為180m時在不同推進距離時支承壓力分布

圖5 工作面長度為220m時在不同推進距離時支承壓力分布

同時可以發現，隨著采面推進距離的遞增，其前方支承壓力的影響范圍也逐步前移，支承壓力峰值也呈現對數規律增加。實際上當頂板出現老頂來壓后，圍巖應力得到釋放，支承壓力峰值發生突然降低，然后隨著工作面推進而繼續增大，其變化周期應和老頂來壓周期步調一致[8-9]。不同長度工作面沿工作面長度方向的支承壓力峰值分布如圖6所示，從圖6可以看出，首先不同長度的工作面推進50m時，支承壓力峰值在采面長度方向呈現明顯的拱形分布；其次，采面越長，壓力拱高度越大，這就意味著支承壓力峰值與采面長度正相關，與至工作面中線距離負相關，這與上述壓力拱規律一致；最后，在工作面兩端，支承壓力降低幅度顯著加大，且隨著采面長度增加，壓力拱扁平率(跨度)趨于增大，壓力峰值高于煤單軸抗壓強度區段所占比例顯著增大。

圖6 不同長度工作面沿工作面長度方向的支承壓力峰值分布

4 井下現場實測

4.1 采煤工作面長度對上覆巖層跨落步距的影響

通過對敬老院煤礦Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)、8406(工作面長度為219m)工作面礦壓顯現規律實測發現，頂底板巖層結構、力學性質與強度、采高(3.3m)、支架結構形式與技術參數均相同時，采煤工作面長度和工作面不同相對位置均會對采場礦壓顯現造成影響。

Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面來壓步距實測數據見表1。從表1中可以看出，8422工作面(長度130m)初次來壓步距為48.5～60.0m，平均周期來壓步距為16.0～20.0m；8406工作面(長度219m)初次來壓步距為30.9～42.0m，平均周期來壓步距為10.0～15.0m。可見，隨著工作面長度增加，來壓步距整體減小，說明加長工作面后，煤壁被壓碎的程度增大，因而塊煤率相對增高，這與前面公式(1)的表達含義及其分析情況是一致的。

表1 不同工作面長度來壓步距實測數據

從表1還可以看出，8422工作面(長度130m)周期來壓步距為16.0～20.0m，頂板周期性來壓在工作面長度方向變化范圍較小；8406工作面周期來壓步距為10.0～15.0 m，再結合井下若干測站的測試數據可以推測，隨著采面長度增大，井下采煤工作面頂板活動頻率有增加趨勢。

4.2 采煤工作面來壓期間礦壓顯現規律

Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面來壓期間不同位置礦壓分布情況見表2，Ⅳ-2煤8422(工作面長為130m)和8406(工作面長度為219m)工作面不同位置的礦壓載荷分布曲線如圖7所示。由表2和圖7可以看出：

圖7 工作面長度為130m和219m時礦壓分布曲線

表2 不同長度工作面礦壓分布

1)支架受載最大(Pmax)位置在工作面中部，機尾位置次之，機頭位置最小(略小于機尾位置)。對于平均載荷(Pm)而言，8406工作面(長度為219m)的中部載荷為8422工作面(長度為130m)的中部載荷的1.04倍，下部和上部分別為1.02和1.0倍。根據前面對采煤工作面復合應力拱特點的分析及式(1)的特點可知，工作面長度不超過240m時，其上方壓力拱高度與工作面長度關系為二次多項式函數關系。因此Ⅳ-2煤8406(工作面長度為219m)的壓力拱高度較8422(工作面長為130m)工作面的壓力拱高度要大，導致在同樣工作面相對位置前者支架受載較大。

2)8406(工作面長度為219m)工作面和8422(工作面長為130m)的支架載荷(包括Pmax和Pm)與工作面位置均近似呈現二次拋物線曲線，如圖7所示。觀測數據表明：工作面支架載荷沿著工作面方向呈現為拱形分布，且工作面中點為其對稱軸。這表明，存在平行于采面的上覆巖層冒落拱，其尺寸與采面長度正相關。因而，采煤工作面支架選型時應該考慮到，工作面長度越長時，工作面礦壓顯現就越強烈，故其所需要的支架工作阻力就應該越大。而由于采面中部所受載荷大于工作面上下兩端，所以在確定采煤工作面支架的工作阻力時，應該以工作面中部載荷(最大載荷)為選擇依據，而工作面兩端的支架工作阻力可以適當減小[10-14]。

5 結 論

1)工作面支承壓力的影響范圍、支承壓力峰值以及壓力拱扁平率與工作面長度正相關，來壓步距整體上與工作面長度負相關。采煤工作面長度超過220m后，支承壓力的峰值基本上趨于穩定。隨著工作面長度正增加，煤壁被壓碎的程度增大，因而塊煤率相對增高。

2)工作面支架載荷沿著工作面方向呈現為拱形分布，且工作面中點為其對稱軸。冒落拱尺寸與工作面長度正相關。采煤工作面支架的工作阻力的確定應該以工作面中部載荷(最大載荷)為選擇依據，而工作面兩端的支架工作阻力可以適當減小。