﻿ 厚松散层薄基岩上提工作面压架原因数值模拟研究 Numerical Simulation Study on the Pressure Support Reasons of Lifting Face on Thick Loose Bed and Thin Bedrock

Mine Engineering
Vol. 07  No. 02 ( 2019 ), Article ID: 29495 , 10 pages
10.12677/ME.2019.72017

Numerical Simulation Study on the Pressure Support Reasons of Lifting Face on Thick Loose Bed and Thin Bedrock

Danghui Wang1, Yingfu Li2

1Pingan Coal Mining Engineering Technology Research Institute Co. Ltd., Huainan Anhui

2Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui

Received: Mar. 2nd, 2019; accepted: Mar. 21st, 2019; published: Mar. 28th, 2019

ABSTRACT

The upper-limit face of 1202(3) in Gubei coal mine is taken as the engineering background; FLAC3D and UDEC software were used for numerical calculation to simulate and study the influence of mining height, face length, coal seam inclination, bedrock thickness and support working resistance changes on overburden migration and ore pressure characteristics of the working face, so as to provide some basis for safe and efficient mining of the lifting face on the thick loose bed and thin bedrock.

Keywords:The Upper-Limit Face, Thin Bedrock, Numerical Calculation

1平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司，安徽 淮南

2安徽理工大学，安徽 淮南

1. 引言

2. 采高对采场围岩运移的影响

Figure 1. Vertical displacement diagram of surrounding rock of stope

Figure 2. Relationship between the maximum sinking amount of the top surface of the working face and the mining height

3. 面长对采场围岩运移的影响

1202(3)上提工作面于 2011 年 2 月 5 日 开始回采，于 2011 年 7 月 15 日 顺利回采结束，表明该面支架选型合理，可以最大限度消除压、漏、推顶板事故隐患，防止发生各种类型的冒顶事故。那么在现有的地质、开采条件下，回采上限是否可以进一步提高，工作面面长是否可以进一步加长？是提高回采上限工作面需要探讨的问题。在原模型的基础上，下顺槽位置保持不变，上顺槽沿煤层倾向向外移动30 m，研究工作面面宽增加到150 m时上提面矿压显现特征，如图3所示。

Figure 3. Cross-sectional view of mining roadway

Figure 4. Effect of working face length on the amount of roof subsidence

4. 煤层倾角对采场围岩运移的影响

1202(3)上提面沿煤层走向从工作面中部到上顺槽均处在回采上限，根据对工作面的采场顶板下沉量数值模拟及现场实测可以看出工作面中上部顶板下沉量、巷道围压变形量明显大于下部，主要原因在于上顺槽基岩厚度较薄，仅39.08 m，下顺槽基岩厚度较厚，达到68.95 m，说明煤层倾角对上提面安全开采具有一定的影响。为了研究煤层倾角对采场顶板下沉量的影响，重新建立了一水平模型，图5为FLAC3d模型图。

Figure 5. Cross section along the working surface

Figure 6. Effect of coal seam dip angle on roof subsidence

5. 覆岩结构及基岩厚度对压架影响的机理分析

1) 基岩层厚度在30 m以内，难以形成应力拱结构，覆岩沿工作面整体切落明显。岩层移动过程中，支承压力呈现出静压大，动压小，动载系数小的特点，采场的初次来压和周期来压强度都不明显。所以在薄基岩煤层开采时要提高支架的初撑力和工作阻力，防止压死、压坏支架，影响矿井安全、高效生产。

2) 基岩层厚度大于40 m，覆岩垂直应力分区明显，采空区垮落带区域内为低应力区，覆岩裂隙带内形成高应力区，并成拱状，在近煤壁处形成低应力的应力拱，在远离煤壁处，形成高应力的应力拱。应力拱在初次来压前，一端位于切眼煤壁内，一端位于工作面前方煤壁中，在拱端形成主应力集中。随着覆岩的垮落，采空区逐渐压实，应力拱的后拱脚逐渐前移，在稳定的矸石中形成应力集中，前拱脚随着工作面的推进而不断前移。应力拱随着工作面的推进而整体前移，拱高在初次来压后迅速发育到最高。

3) 覆岩中某一方向上的拉应力超过了岩体的抗拉强度而产生一定方向的张裂隙，这些张裂隙的密度和贯通情况不同，对岩体的透水性和整体性的破坏程度是不同的。当它们互相贯通且密度较大时，便形成导水裂隙带；当它们的密度较小时或不连通时，对岩体的透水性影响不大，煤层覆岩中拉张裂隙区内为低应力区。

6. 支架工作阻力对压架影响的机理分析

Figure 7. Effect of support strength on roof subsidence (120 m)

1) 采高：采高越大，冒落带越高，贯通裂隙越发育，台阶下沉越明显；采高越小，垮落带越容易形成铰接结构。

2) 面长：工作面面长由120 m增加到150 m后，工作面顶板下沉量均有不同程度的增加。若下顺槽不动，上顺槽向外偏移，相当于提高了工作面回采上限，采场顶板下沉量会明显增加，就有可能发生压架事故。

3) 煤层倾角：由于1202(3)工作面为走向长壁工作面，工作面中上部处在回采上限，所以，工作面上部位置顶板下沉量要大于下部，工作面的中上部应作为采场围岩控制的重点位置。相对于水平煤层，倾斜煤层由于下顺槽基岩厚度较厚，对上提面安全回采较为有利，并且煤层倾角越大，对上提面越有利。

4) 基岩厚度：基岩层厚度在30 m以内，难以形成应力拱结构，覆岩沿工作面整体切落明显。当基岩厚度大于40 m后时，老顶破断表现出多关键层的特点，接近于普通的工作面特征。工作面超前支承压力峰值随基岩厚度的增加而逐渐增加，在基岩为40 m时支承应力峰值最大。当基岩厚度大于40 m以后，随基岩层厚度增加，支承压力峰值稍有下降。

5) 支架工作阻力：支护阻力–顶板下沉量仍然呈双曲线关系，随着基岩变薄，覆岩稳定结构发生变化，顶板下沉量逐步增大。基岩层厚度为40 m时，在上提工作面覆岩较薄时，支架应有足够的阻力平衡顶板的压力。

Figure 8. Relationship between working resistance and roof subsidence of different bedrock thickness during initial pressure

Figure 9. Working resistance of different base rock thickness brackets-maximum sinking relationship of roof

7. 结论

1) 基岩层厚度在30 m以内，难以形成应力拱结构，覆岩沿工作面整体切落明显。老顶的周期性破断没有出现主、亚关键层之分，周期来压步距短，约为8 m左右，来压剧烈，工作面有明显的台阶下沉现象；当基岩厚度大于40 m后时，老顶破断表现出多关键层的特点，接近于普通的工作面特征，工作面每推进10~12 m亚关键层破断一次，当推进到56 m后，老顶主关键层首次发生破断，形成一次较强的来压。之后，亚关键层每破断两次，主关键层破断一次。

2) 在基岩面厚度为20~40 m范围内的情况下，工作面超前支承压力峰值随基岩厚度的增加而逐渐增加，在基岩为40 m时支承应力峰值最大，最大集中应力为24.69 MPa，峰值系数达到2.48。当基岩厚度大于40 m以后，随基岩层厚度增加，支承压力峰值稍有下降，峰值点逐渐向工作面前方移动，但峰值范围扩大。

3) 上风巷到基岩面距离为20 m、30 m时，工作面上端头覆岩台阶下沉明显，裂隙发育，且裂隙上部张开，下部在工作面煤壁处未闭合，很容易使工作面造成突水压架事故。当支架工作阻力较小时，沿工作面的中上部容易发生压架事故。

4) 采高越大，贯通裂隙越发育，台阶下沉越明显。采高越大，冒落带越高；采高越小，垮落带越容易形成铰接结构。在上提工作面覆岩较薄时，支架应有足够的阻力平衡顶板的压力。

5) 上提工作面开采时，支护阻力–顶板下沉量仍然呈双曲线关系，随着基岩变薄，覆岩稳定结构发生变化，顶板下沉量逐步增大。基岩层厚度为40 m时，合理支架工作阻力为6400 kN；基岩厚度为30 m、20 m时，合理支架工作阻力为10,800 kN。

6) 如果1202(3)工作面面长由120 m增加到150 m后，工作面顶板下沉量均有不同程度的增加，若工作面提高回采上限，顶板下沉量会明显增加，就有可能发生压架事故。如果采用高支护强度1.7 MPa (12,800 KN)时，顶板下沉量最大值仍能控制在一定范围，说明对于1202(3)工作面地质条件，若采用更高的支护强度，回采上限可以进一步提高。

7) 相对于水平煤层，倾斜煤层由于下顺槽基岩厚度较厚，工作面中下部顶板下沉量较小，对上提面安全回采较为有利，而且煤层倾角越大，对上提面越有利。

Numerical Simulation Study on the Pressure Support Reasons of Lifting Face on Thick Loose Bed and Thin Bedrock[J]. 矿山工程, 2019, 07(02): 119-128. https://doi.org/10.12677/ME.2019.72017

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