浅埋深大采高工作面矿压规律与影响因素分析_曹健.pdf

浅埋深大采高工作面矿压规律与影响因素分析*曹健1，师世图1，闫祎炜1，高斌1，段军1，王汉元2，管隆刚3（1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头014010；2.内蒙古自治区地质环境监测院，呼和浩特010013；3.陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林719054）摘要：为研究浅埋深大采高工作面矿压规律，分析其主要影响因素，以大柳塔煤矿1-2上煤层开采为背景，结合统计分析、物理模拟、数值计算与工程实践的方法，掌握了工作面初次来压与周期来压的矿压显现规律，揭示了煤层采高、埋深对来压规律的影响。研究表明，来压期间支架工作阻力随采高的增大而增大，动载系数、周期来压步距与采高没有直接的关系。来压期间支架平均工作阻力、动载系数随埋深的增大而增大，周期来压步距与埋深没有直接的关系。1-2上煤层工作面开采的初次来压步距为60 m，平均周期来压步距为12 m，来压期间支架工作阻力一般在6 5008 500 kN，少数支架工作阻力会升到9 300 kN左右，工作面支护效果良好。关键词：浅埋深大采高；矿压显现；影响因素；支架载荷；来压步距中图分类号：TD323文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 034 05Analysis on Rock Pressure Law and Influence Factors of Large MiningHeight Face in Shallow Coal SeamCAO Jian1,SHI Shitu1,YAN Yiwei1,GAO Bin1,DUAN Jun1,WANG Hanyuan2,GUAN Longgang3(1.Institute of Mining Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.InnerMongolia Institute of Geologic Environment Monitoring,Huhhot 010013,China;3.Shaanxi Coal Group Yubei CoalIndustry Co.,Ltd.,Yulin 719054,China)Abstract：In order to study the roof weighting and its influence factors of large mining height longwallface in shallow coal seam,taking No.1-2upper seam in Daliuta coal mine as the background,combiningwith the methods of statistical analysis,physical simulation,numerical calculation and engineeringpractice,the first and periodic roof weighting behavior of longwall face is obtained,and the influence ofthe mining height and buried depth on roof weighting is revealed.Studies show that the workingresistance increases with the increase of the mining height during roof weighting,and there is no directrelationship between the dynamic load coefficient and the periodic roof weighting interval and themining height.The average working resistance and dynamic load factor increase with the increase of theburied depth,while there is no direct relationship between the periodic roof weighting interval and theburied depth.The first roof weighting interval in No.1-2upper seam mining is 60 m,and the averageperiodic roof weighting interval is 12 m.During roof weighting,the support working resistance isgenerally between 6 500 kN and 8 500 kN,and a few supports can rise to about 9 300 kN,overall,theface support effect is good.Key words:large mining height in shallow coal seam;rock pressure behavior;influence factor;supportload;roof weighting interval第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0080引言我国西部侏罗纪煤田浅埋深厚煤层储量丰富，大采高是其主要开采方法。浅埋深大采高工作面开采，矿压显现规律复杂，易导致工作面压架、煤壁片帮及冒顶等事故，威胁矿井的安全高效生产。因此，研究浅埋深大采高工作面的矿压显现规律，分析其主要影响因素成为目前需要解决的科学问题。目前，我国许多学者针对大采高工作面的压架机理与矿压显现规律开展了研究。黄庆享等提出了“等效直接顶”的概念，建立了“短悬臂梁”结构和“高位斜台阶岩梁”结构模型。许家林等揭示了浅埋煤层开采的压架机理与类型，并提出了相应的对策。杨俊哲等研究了8.8 m超大采高综采工作面的覆岩活动规律和顶板结构，揭示了其支架与围岩的力学关系。秋丰岐等运用薄板理论及现场实测对大采高工作面矿压显现规律开展研究，结合2种不同的理论计算公式分析了支架支护阻力。杨登峰等研究了37 m采高条件下的顶板破断过程及来压规律。周海丰提出*内蒙古自然科学基金项目（2022QN05007）；内蒙古自治区本级事业单位引进优秀人才支持项目（0701012101）；内蒙古自治区大学生创新创业训练计划项目（0404052104）34了大采高工作面等压开采技术，可有效防止过空巷期间的冒顶、压架等事故。王刚等研究了浅埋大采高工作面关键层的破断规律。尹希文提出了浅埋大采高工作面覆岩“切落体”结构模型。来兴平等通过声发射及模型试验分析了大采高工作面来压期间的围岩移动及支承压力演化机理。付玉平等对浅埋大采高工作面顶板岩层断裂演化规律进行了模拟研究。贺雁鹏等研究了浅埋深大采高工作面的顶板破断角。本文通过分析浅埋深大采高工作面开采实例，掌握了浅埋深大采高工作面矿压显现规律，分析了工作面矿压显现规律的影响因素，结合物理模拟和数值计算研究了工作面初次来压和周期来压的矿压显现规律，并通过工程实践进行了验证。1工作面矿压规律实测统计与影响因素分析1.1大采高工作面矿压显现规律实测统计浅埋深厚煤层一般指埋深在200 m以内、厚度在3.5 m及以上的煤层。大采高是厚煤层高产高效开采的主要方式，目前在我国浅埋深厚煤层开采中广泛应用。统计浅埋深大采高工作面矿压显现规律如表1所示。表1浅埋深大采高工作面矿压显现规律实例统计浅埋深大采高工作面矿压显现规律主要与埋深、采高等因素有关。由于煤层厚，冒落带的高度大，随着关键层的周期性破断，其上部覆岩载荷迅速向下传递作用于支架，工作面来压。浅埋深厚煤层开采工作面矿压显现剧烈，且随采高、埋深的变化呈现一定的规律。根据表1可知：（1）浅埋深大采高（采高3.5 m）工作面来压期间，支架循环末阻力一般大于7 000 kN，最大可以达到20 000 kN以上。（2）由于采高大，来压期间容易引起端面漏冒、煤壁片帮等现象，同时支架活柱下缩量增大。1.2工作面矿压规律影响因素分析采高、埋深等对浅埋深大采高工作面矿压显现规律具有重要影响。采用控制变量的方法，分析工作面来压期间支架工作阻力、动载系数、周期来压步距随采高和埋深的变化规律。（1）采高根据表1中的开采实例1、5、7、9进行分析，在埋深相差不大的情况下，分析来压期间支架阻力、周期来压步距、动载系数随采高的变化规律。来压期间支架平均工作阻力随采高的变化如图1所示。可见，浅埋深大采高开采条件下，来压期间支架工作阻力都较大，一般在7 000 kN以上，且随着采高的增大而增大。当工作面采高达到8 m以上时，来压期间支架工作阻力迅速上升，采高8.8 m时可达25 000 kN以上。图1来压期间支架平均阻力随采高的变化动载系数随采高的变化规律如图2所示。可见，动载系数与采高没有直接的关系，但当采高大于6 m后，工作面动载系数较大，约为1.6。图2动载系数随采高的变化工作面周期来压步距随采高的变化如图3所示。可见，周期来压步距与采高也没有直接的关系，浅埋深大采高工作面开采的周期来压步距一般在1316 m。来压步距与强度平均周期来压步距14.35 m，支架平均工作阻力7 094 kN平均周期来压步距10.2 m，支架工作阻力6 8637 665 kN，平均7 264 kN平均周期来压步距10.9 m，支架平均工作阻力7 902 kN平均周期来压步距17.2 m，支架平均工作阻力10 496 kN平均周期来压步距13 m，支架阻力15 95518 134 kN，平均17 652 kN周期来压步距10.3 m，支 架 阻 力11 77513 737 kN平均周期来压步距16 m，支架阻力17 67018 089 kN平均周期来压步距17.2 m，支架平均工作阻力14 716 kN平均周期来压步距13.5 m，支 架 阻 力22 45526 340 kN，平均25 172 kN采高/m4.755.866.27778.8工作面三交河504磁窑沟10101纳一矿326-01红柳林25206银河矿30301上湾12106大柳塔52303大柳塔52501上湾12401序号123456789埋深/m1801408810817097.18174150124244倾角/()-2011361315矿压显现平均动载系数1.13，来压期间部分支架安全阀开启平均动载系数1.23，支架工作阻力满足要求平均动载系数1.48，支护效果良好，工作阻力有较大富余量周期来压期间顶板淋水增多，支架荷载活柱下缩量增加平均动载系数1.62，活柱下缩量253 mm，安全阀开启严重动载系数1.16，支架活柱下缩量68mm，煤壁及顶板状况好平均动载系数1.55，支架活柱下缩量300500 mm，煤壁片帮深度1 000 mm平均动载系数1.37，多数支柱明显下沉，安全阀部分开启平均动载系数1.6，支架活柱下缩量20150 mm，煤壁最大片帮深度1.5 m工作面矿压显现规律浅埋深大采高工作面矿压规律与影响因素分析曹健，等第42卷第02期Vol.42 No.02采高/m8.87.06.24.7302520151050来压期间支架平均阻力/GN采高/m8.87.06.24.71.81.61.41.21.0动载系数35图3周期来压步距随采高的变化（2）埋深在采高6 m左右条件下，通过实例6、7、8分析来压期间支架阻力、周期来压步距、动载系数随埋深的变化规律。来压期间支架平均工作阻力随埋深的变化如图4所示，其随着埋深的增大而增大，这是由于埋深增大，周期来