李春睿
（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）
摘 要 深部厚煤层开采深度大、工作面矿压显现剧烈，利用FLAC3D数值模拟技术结合试验工作面的实际条件，研究了分层开采和综放开采时围岩应力分布情况。研究结果表明两
种开采方法的高低应力分区特征基本相同，但超前支承压力峰值不同：上分层开采超前支承压力峰值大于下分层开采超前支承压力峰值大于综放开采超前支承压力峰值，且综放开采的超前支承压力峰值深入煤壁的距离较大，能够有效降低工作面煤壁前方的应力集中程度。
关键词 深部开采厚煤层 围岩应力分布 采煤方法 中图分类号TD823
随着煤矿开采向深部发展，开采过程中遇到的技术难题之一是工作面矿压显现越来越强烈，为了解决这一难题，本文利用数值模拟的方法对分层开采和综放开采过程中工作面的超前支承压力分布情况进行了研究，并进行了现场试验，取得了显著效果。
1 工作面概况
试验工作面所采煤层为近水平煤层，煤层厚度为6.3 m，工作面走向长度为2200 m，倾斜长度为150 m，埋深约为850 m，工作面顶底板岩性和厚度如表1所示。
与试验工作面相同煤层的其他工作面均采用分层开采，开采过程中发现存在的主要问题为工作面埋深大，矿压显现非常剧烈，煤壁片帮现象严重，易发生片帮漏顶事故，处于工作面超前支撑压力影响范围内的回采巷道变形严重，阻碍了工作面设备的正常推进，需要超前工作面30 m进行巷道扩帮。为了解决这一难题，本文研究综放开采和分层开采对工作面超前支承压力的影响，进而确定试验工作面的合理采煤方法。
2不同采煤方法围岩应力分布数值模拟分析
2.1 数值模型的建立
为了研究综放开采和分层开采对工作面矿压显现的影响，利用FLAC3D数值模拟软件分别模拟两种开采方法条件下围岩应力分布情况。
根据试验工作面的煤岩层综合柱状图建立FLAC3D数值模拟模型，为了减少模拟运算量，
将其中岩性相近的岩层合并后按一层处理，模型中各岩层的物理力学参数如表2所示。采用等效载荷代替模型上方未模拟的岩层，模型底面和4个立面采用固定法向位移约束，顶面采用根据埋深计算后的等效载荷约束。
2.2数值模拟结果分析
2. 2.1 分层开采超前支承压力分布
模拟分层开采时将煤层分为上下两层开采，先采上分层3m厚的煤层，待上分层采完且围岩稳定后再采下分层3m厚的煤。建模过程中，通过降低上位煤层的弹性模量到原来的1/8，来模拟开采下分层时煤层上方垮落的岩石。为了观测开采过程中围岩应力的变化情况，在煤层中沿工作面走向每隔1m设置一个监测点，监测点沿工作面倾向位于工作面中部，垂直方向上位于采高的中间位置，监测结果如图1所示。
分析曲线可知，开采顶分层时，超前支承压力煤壁前方3m处出现峰值，应力集中系数为1.9，峰值压力达到46.8 M Pa。开采底分层时，超前支承压力在工作面前方4m处出现峰值，应力集中系数1.6，峰值压力为40.8 M Pa。采用分层开采深部厚煤层时在煤壁与超前支承压力峰值之间其超前支承压力随着离煤壁距离的增加升高速度较快。
2.2.2 综放开采超前支承压力分布
为了研究不同采放比对工作面超前支承压力的影响，模拟4种开采方案。方案1的采放比为1：5，方案2的采放比为1:2，方案3的采放比为1:1，方案4的采放比为1：0.5。观测点设置同分层开采，监测结果如图1所示。当采放比为1：5时，超前支承压力峰值为37.3 M Pa，应力集中系数为1. 44;当采放比为1:2时，超前支承压力峰值为37.4 M Pa，应力集中系数为1.44;当采放比为1:1时，超前支承压力为38.1 M Pa，应力集中系数为1. 47;当采放比为1:0.5时，超前支承压力为38.6 M Pa，应力集中系数为1.48。由综合对比分析可知，综放开采时超前支承压力峰值基本不受采放比的影响。因此，采用综放开采厚度一定的同一煤层时，工作面采高的确定不需考虑对超前支承压力的影响。
2.2.3不同开采方法工作面超前支承压力分布对比
采用分层开采、综放开采（割煤高度为3m）时工作面煤壁前方支承压力的对比曲线如图2所示。
通过对比分析可知，各采煤方法高低应力分区特征基本相同，但超前支承压力峰值的大小不同：上分层开采超前支承压力峰值大于下分层开采超前支承压力峰值大于综放开采超前支承压力峰值；且峰值深入煤壁的距离也不同，综放开采超前支承压力峰值距煤壁距离大于上分层开采超前支承压力峰值距煤壁距离大于下分层开采超前支承压力峰值距煤壁距离。可见相比分层开采，采用综放开采时超前支承压力峰值位置更加深入煤壁且应力集中系数较小，有助于降低工作面煤壁片帮程度，有助于降低巷道在超前支承压力区域的变形量。因此，试验工作面确定采用综放开采。由于综放开采时采放比对超前支承压力影响不大，确定采高时无需考虑对超前支承压力的影响，结合本矿现有设备情况确定采高为3 m。
3不同采煤方法围岩应力分布的现场实测
为了检验研究结果的正确性，采用钻孔应力计对综放试验工作面和分层开采工作面（采上分层，采高3m）的超前支承压力大小及影响范围进行检测，观测结果如图3所示。
对比分析实测结果，相比于分层开采，综放开采超前支承压力峰值较低，且峰值距离工作面煤壁较远，现场实测结果与数值模拟结论一致。在实际开采过程中，与本煤层采用分层开采的工作面相比，综放试验工作面矿压显现不明显，煤壁片帮程度较低，巷道变形较小，无需进行超前扩帮。
综合数值模拟和现场实测结果，开采深部厚煤层时，综放开采与分层开采相比能从一定程度上降低超前支承压力峰值大小并使峰值位置更深入煤壁，有利于降低应力集中程度，进而缓解了工作面的矿压显现程度。
4 结论
(1)对于同一煤层采用综放开采时，割煤高度的变化不会引起超前支承压力峰值的显著变化，因此，割煤高度对工作面超前支承压力区域的巷道变形情况影响不明显。
(2)采用不同的采煤方法时，超前支承压力的峰值大小不同：上分层开采大于下分层开采大于综放开采；且峰值位置深入煤壁的距离不同：综放开采大于上分层开采大于下分层开采。
(3)相比分层开采，综放开采有利于减弱工作面煤壁片帮，降低巷道在超前支承压力区域的变形量，更适用于深部厚煤层开采。
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