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大采高仰斜综采工作面矿压显现规律研究 ① 邢东升1，2， 王李管1， 刘晓明1，3 （1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中铝矿业有限公司，河南 郑州 450041； 3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍 山 243004） 摘 要 针对某矿 701 仰斜大采高工作面在高强度采动影响下引起的围岩控制难题，采用数值模拟、现场观测相结合的方法对其采 场矿压显现规律进行了分析。 结果表明，701 工作面初次来压步距约为 30 m，周期来压步距约为 10 m；倾斜方向工作面两端先于工 作面中部发生来压现象。 通过工作面煤壁前方支承压力曲线分布可知，最大应力集中系数随工作面推进距离增加而增大。 根据现 场实测发现，工作面中部支架的工作阻力远高于工作面两端头，初次来压时，作用于工作面中部支架的最大载荷为 40 MPa，周期来 压期间为30 MPa 左右。 在两巷中实测顶底板及两帮移近量发现，采煤面推进至距离观测站10 m 时，两帮最大移近量为416 mm，顶 底板移近量为 408 mm。 关键词 综采工作面； 支承压力； 大倾角； 支架阻力； 围岩位移 中图分类号 TD823文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.05.004 文章编号 0253-6099（2018）05-0016-04 Mine Pressure Behavior of Fully Mechanized Mining Face with Large Mining Height for Steeply Dipping Coal Seam XING Dong-sheng1，2， WANG Li-guan1， LIU Xiao-ming1，3 （1.School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.China Aluminum Mining Co Ltd， Zhengzhou 450041， Henan， China； 3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243004， Anhui， China） Abstract In view of difficulty in the surrounding rock control caused by the high-intensity mining on the 701＃steeply-dipping working face with high mining thickness in one coal mine， numerical simulation combined with field observation were used to analyze the mine pressure behavior in the stope. It is found that the span distance for an initial weighting is 30 m and the span distance for periodic weighting is 10 m. As for the working face on the inclined side， the weighting was occurred firstly on both sides of working face and then in the middle of the working face. The plotted pressure curve of support in front of coal wall with working face showed that the maximum stress concentration factor increased with the increasing of the advanced distance of working face. According to the in-situ measurement， the working resistance of the support in the middle of working face is much higher than that on two ends of working face. During the occurrence of initial weighting， the maximum load forced on the support in the middle of working face was 40 MPa and around 30 MPa during the periodic weighting. It is found from the practical measurement of movement of roof， floor and two sidewalls when the coal mine face was advanced to the point 10 m away from the observation station， two sidewalls moved 416 mm closer to each other， and the roof and floor moved 408 mm closer to each other. Key words fully mechanized coal mining face； support pressure； steeply dipping； support resistance； displacement of surrounding rocks 我国大倾角煤层储量约占煤炭资源的 15％～20％， 是我国部分地区矿井的主采煤层。 目前我国中东部煤 炭资源衰竭，重心逐步西移，大倾角煤层的研究显得愈 发重要。 然而大倾角煤层的开采不同于缓倾斜煤层的 开采，其回采致使工作面煤壁前方的原岩应力状态发 生变化，这种变化产生的超前支承压力会对巷道维护、 顶板结构、支架围岩关系等产生直接影响。 掌握回采 过程中煤壁前方支承压力分布特征是有条不紊地管理 ①收稿日期 2018-03-13 基金项目 国家自然科学基金（51604301）；国家高技术研究发展计划（863 计划）（2011AA060407）；金属矿山安全与健康国家重点实验室开 发基金（2015-JSKSSYS-01） 作者简介 邢东升（1968-），男，河南郑州人，博士研究生，高级工程师，主要从事矿山技术与管理工作。 第 38 卷第 5 期 2018 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №5 October 2018 万方数据 矿井生产活动和有效预防工作面动力灾害的重要保 障。 目前大倾角煤层回采过程中矿压显现规律的研究 较多［1-6］，这些研究成果表明，目前我国在工作面来压 步距、支架工作阻力、覆岩移动规律等方面研究手段和 理论知识已基本成熟［7-9］。 然而由于煤矿的特殊地质 构造及不同的采煤工艺导致不同的矿压显现规律。 由 于不同研究对象具有特殊的地质条件，通常采用理论 分析、数值计算和现场实测来研究其工作面矿压显现 规律［10-12］，为现场工作提供指导依据。 1 理论分析 采场开挖后，由于岩体内应力的重新分布，开挖空 间上覆岩体的自重转嫁于巷道的两帮，形成高于原岩 应力的支承压力，其应力分布如图 1 所示。 推进方向 矿 体 B P0 Pa′Pa′ 图 1 工作面前端支撑压力分布图 此时可将整个采场视为由 3 部分组成的构筑物 空区顶板及上覆岩体为上部结构物，前方岩体视为构筑 物基础，底板岩体视为地基。 上部结构物的荷载通过 基础传递到地基上。 基础宽度为支承压力带宽度 B。 Pa＝ nP0（1） Pa′ ＝ Pu（2） 式中 n 为应力集中系数，一般大于 1；Pa为峰值支承压 力；Pa′为侧帮支承压力；Pu为底板岩体的极限承载力。 当底板岩层的荷载 P 达到某一数值时，首先在底 板的边缘处开始出现剪切破坏。 当荷载继续增大，剪 切破坏区也相应扩大。 如荷载继续增加，则剪切区将 相继扩展成片，此时说明底板岩层上的荷载已经达到 底板的极限承载能力而濒临破坏。 一旦荷载略增，底 板将急剧下沉，底板岩体出现整体剪切破坏，底板岩体 向上隆起而产生底鼓。 2 数值模拟 2.1 工程概况 某矿701 工作面为该矿首采工作面，主采3＃煤层， 平均埋深 410 m，平均煤厚 6.9 m，设计生产能力 100 万吨／ 年。 工作面走向长度为 300 m，倾斜长度 90 m。 工作面倾角 42 ～54。 整煤层伪顶为灰黑色泥岩，厚 度 2～6 m，局部分布，泥质结构，块状构造。 直接顶为 灰白色粗砂岩、中粒砂岩互层，厚度 10～20 m。 直接底 为细粒砂岩，平均厚度 3.6 m，老底为灰白色细砾砂岩 和中粒砂岩，厚度平均 18 m。 701 工作面采用倾斜长 壁仰斜大采高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶 板。 工作面中间支架型号为 ZQY6800-19／40 板。 701 工作面面临煤层倾角大（平均 45）、工作面推进速度 较慢、支架首先在下部出现歪斜并由下向上扩大，造成 支架歪斜、煤壁片帮掉顶。 尤其是来压期间，支架歪斜 翘腿现象更加严重，拉架时架间掉落矸石多，支承压力 长时间积聚在煤壁内，易造成部分煤壁沿顶板切落。 因此，要实现这种复杂地质条件下厚煤层综采面安全 高效回采，有必要对该矿首采工作面开采中矿压显现 规律进行研究。 2.2 模型建立 根据该矿实际地质条件建立数值模型如图 2 所 示，其 x，y，z 分别代表工作面推进长度、工作面倾斜长 度及采深，其大小为 300 m 120 m 343 m。 该模型 在边界处限制水平和垂直位移。 模型上表面根据煤层 埋深施加自重应力 10 MPa，煤岩体参数见表 1。 煤岩 体采用 Mohr-Coulomb 破坏准则，工作面推进方向左右 两端各留 30 m 边界煤柱，分步开挖，每次推进 10 m。 图 2 数值模型 表 1 煤岩体力学参数 矿岩 类型 弹性模量 ／ GPa 泊松 比 剪切模量 ／ GPa 体积模量 ／ GPa 抗拉强度 ／ MPa 粘聚力 ／ MPa 内摩擦角 ／ （） 细砂岩4.680.341.754.884.26.831 灰岩4.360.271.723.161.85.432 煤1.400.340.771.350.33.620 粉砂岩6.320.162.435.242.33.635 泥岩4.400.261.753.060.94.232 2.3 模拟回采工作面矿压显现规律分析 2.3.1 工作面沿倾斜方向的矿压显现规律 不同推进距离下工作面中心走向垂直面应力分布 71第 5 期邢东升等 大采高仰斜综采工作面矿压显现规律研究 万方数据 云图如图 3 所示。 由图 3 可见，工作面推进 20 m 时， 工作面及其围岩体承压分布较稳定且承压远小于原岩 应力。 工作面前后支承压力趋向于原岩应力，只在工 作面前方局部小范围出现应力集中，应力集中系数约 为 1.13，地板仅有小范围出现拉应力的状态，说明围岩 体处于稳定状态。 工作面推进到 30 m 时，工作面及其 附近围岩体所承受的压力也较小，但是地板出现较大 范围的拉应力，这容易引起地板发生底鼓现象。 同时， 工作面前方的应力集中现象更加明显，且应力集中的 范围也有所增加，最大应力达到 32.9 MPa，应力集中 系数约为 1.32。 工作面前方应力集中现象，说明随着 工作面推进出现了顶板周期来压，这导致工作面和顶 底板承受更大应力，从而致使顶板围岩体垮落和工作 面片帮的现象。 工作面推进至 40 m 或 50 m 时，工作 面支承压力远大于稳定阶段应力大小（稳定阶段应力 大小接近于原岩应力），工作面前方应力集中区域明 显增大，最大应力集中系数分别为 1.36 和 1.46。 地板 拉应力区域显著增加，容易导致底鼓现象发生。 图 3 不同推进距离下工作面中心走向垂直面应力分布云图 （a） 20 m； （b） 30 m； （c） 40 m； （d） 50 m 2.3.2 工作面沿走向的矿压显现规律 工作面煤壁前方支承压力云图如图 4 所示。 由图 4 可见，在工作面推进过程中，空区两帮应力集中现象 较为明显，并由中部向两帮增大，且工作面左前方、右 前方应力集中区域显著增大，地板也出现较大面积的 应力集中区。 在工作面两端最大应力集中系数大小近 似相等，约为 1.48。 基本顶岩层破坏区域首先从空区 中部开始并逐渐向两帮扩展，这是由于矿体的采出，使 空区中部顶板悬空面积增加，致使顶板出现拉应力而 发生破坏，在煤层上方形成“倾斜砌体梁结构”，且顶 板上方的这种“结构”是随着工作面推进从空区中部 向两帮转移，使得空区中部及两帮支架来压时间不同 步，即空区上部首先来压。 图 4 工作面煤壁前方支承压力云图 （a） 空区左帮； （b） 空区中部； （c） 空区右帮 图 5 为工作面煤壁前方支承压力曲线图。 由此可 见，煤壁前方支承压力随距离增加而逐步增大，空区两 帮最先达到峰值点，此时最大支承压力为 15.87 MPa， 并且空区中部峰值点明显高于空区两帮，空区左帮应 力稍高于右帮。 峰值过后，支承压力逐步减小，并趋于 原岩应力。 距煤壁距离／m 18 12 6 0 15030456075 垂直应力／MPa 工作面 工作面左端 工作面右端 应力增高区原岩应力区应力衰减区 图 5 工作面煤壁前方支承压力曲线图 3 工程实践 3.1 支架工作阻力测定 为更加详细掌握工作面矿压显现规律， 采用 YHY60（B）矿用本安型数字压力计对支架阻力进行了 测试，ZYDC-Ⅲ综采支架工作阻力连续记录仪用于监 测综采工作面支架工作阻力。 81矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 在工作面中部不同位置安设数字压力计，每天定 点进行监测，根据工作面每天推进量及监测天数得到 支架工作阻力与工作面推进距离变化曲线，如图 6（a） 所示。 由图 6（a）可知，工作面推进到 30 m 时，支架工 作阻力出现剧烈波动，此时工作阻力在 40 MPa 界限 上下波动，此时最大应力集中系数为 2.01；工作面初次 来压之后，支架工作阻力迅速减小，之后每隔 10 m 左 右，支架发生一次小范围波动，在小范围波动时，支架 最大工作阻力在 30 MPa 左右，此时最大应力集中系 数在 1.5 附近波动；其他时间段工作支架阻力在 20～ 22 MPa 范围内波动。 在工作面中部及左右两端安装 三点同时测力，每天定点进行测量，如图 6（b）所示。 由图 6（b）可知，工作面两端支架工作阻力在初次来压 和周期来压时无论是大小还是步距均小于工作面中部 来压时应力大小和步距；在急倾斜仰斜开采中，工作面 两端应力显现规律无论是大小还是步距均类似。 工作面推进距离／m 50 40 30 20 10 0 40206080100120 支架阻力／MPa ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■■ ■ ■■ ■ ■ ■ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆◆ ◆◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ A点 B点 ◆ ■ 工作面推进距离／m 50 40 30 20 10 0 40206080100120 支架阻力／MPa 工作面左端 工作面中部 工作面右端 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ a b 图 6 工作面支架阻力随工作面推进变化图 3.2 顶底板移近观测 工作面回采时，回风平巷和运输平巷受矿山压力 影响会出现围岩的变形破坏。 采用十字布点法，在 701 工作面两巷内分别布设 4 个巷道表面位移观测 站，监测 701 工作面前方 30、60、90 m 处受超前支承压 力影响时平巷的变形破坏特征，根据数据绘出运输平 巷表面收敛变化曲线，如图 7 所示。 由图 7 可知，巷道 顶底板及两帮的位移移近量与距工作面距离成反比。 当回采面与测点的距离在 50～100 m 时，平巷表面收 敛量逐渐增大；当回采面与测点的距离在 50 m 以内 时，巷道的表面收敛量急剧加快，曲线斜率开始增加。 当回采面距测点 40 m 时，巷道两帮相对移近量增至 350 mm，最大变形速度达 17 mm／ d，顶底板的相对移 近量增加到 350 mm，最大变形速度达 18 mm／ d，两帮 移近速度迅速增加。 因本研究选用超前支护，在采煤面 推进到离测点 10 m 时，观测工作结束，最终得到两帮最 大移近量为 416 mm，最大变形速度为 32 mm／ d，顶底板 移近量为 408 mm／ d，最大变形速度为 31 mm／ d。 450 300 150 00 40208060100 距工作面距离／m 位移／mm 两帮 顶底板 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 35 28 21 14 7 00 40208060100 距工作面距离／m 变形速度／mm d-1 ■ ◆ 两帮 顶底板 ■ ◆ 图 7 运输平巷表面收敛变化曲线 4 结 论 结合某矿实际生产条件，采用数值模拟及现场实 测等方法对该矿 701 大倾角工作面矿压显现规律进行 分析，得出以下结论 1） 701 工作面初次来压在 30 m 左右，周期来压 在 10 m 左右；沿工作面倾斜方向工作面中部先于工作 面两端发生初次来压，之后工作面两端落后并随工作 面中部发生周期来压。 2） 在工作面煤壁前方支承压力曲线中，最大应力 集中系数随工作面推进逐渐增大，并且工作面中部支 承压力曲线先于工作面两端达到峰值；峰值过后工作 面中部最先趋于原岩应力。 3） 根据现场实测发现，工作面中部支架的工作阻 力远高于工作面两端，且中部来压率先显现，随后两端 显现。 工作面中部支架工作阻力最大值处在工作面初 次来压，为 40 MPa，周期来压期间 30 MPa 左右。 4） 在两巷中实测顶底板及两帮移近量发现，距测点 50 m 以内，巷道顶底板及两帮移近量急剧加快。 采煤 面距测点 40 m 时，巷道两帮相对移近量增至 350 mm， 顶底板相对移近量增加到 350 mm。 在采煤面推进到 离测点 10 m 时，两帮最大移近量为 416 mm，顶底板移 近量为 408 mm。 参考文献 ［1］ 来兴平，伍永平，曹建涛，等. 复杂环境下围岩变形大型三维模拟 实验［J］. 煤炭学报， 2010，35（1）31-36. （下转第 24 页） 91第 5 期邢东升等 大采高仰斜综采工作面矿压显现规律研究 万方数据 少空间基线（时间基线）失相干噪声，有效去除平地干 涉相位噪声。 2） 利用 D-In SAR 监测技术可获取钻井水溶矿山 开采地表沉降规律。 钻井水溶矿区地表形变趋势与开 采推进进度一致，地表沉降呈正态分布规律，盆地近似 碗状，地表下沉值较小，最大下沉速度 0.260 mm／ d，下 沉值由西南往东北方向逐渐增大，与钻井水溶开采矿 井推进进度方向一致。 3） Arc GIS 软件进行三维制图和地质统计分析， 能形象直观反映矿区开采沉陷数据分布特征与总体规 律，并能准确识别和量化形变趋势。 某钻井水溶矿区 98％的数据质量估算值分布在-0.001～0.038 之间，最 大估算形变精度值 0.513，平均值 0.009，监测精度较 高；监测精度与形变大小具有负相关性，地表形变越 小，干涉相干性系数越大，监测精度越高。 参考文献 ［1］ 王清明. 钻井水溶开采与设计［M］. 北京化学工业出版社， 2016. ［2］ He Y G， Li Z W， Yang X L. 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