1、2023 年第 10 期2023 年 10 月随着煤炭资源开采的不断发展，安全高效回采成为矿井的重点。工作面来压规律一直是煤炭开采的核心问题，对于放顶煤开采工艺而言，亦是如此。不同于普遍采用的综合机械化采煤法，放顶煤开采时顶煤的放出量、顶板的垮落均影响到工作面的来压特征1-2。在初次来压和周期来压的反复作用下，工作面巷道及顺槽的损伤不断加剧，严重情况下造成设备倾倒、围岩失稳，甚至影响工作人员的生命安全3-6。本文针对这一科学问题，对工作面来压特征进行了分析，并通过监测工作面支架压力反映矿压特征，数值模拟与实际观测结果一致，已有支护方案维持了工作面的稳定性。1工程概况布尔台煤矿隶属于国能神东集团
2、，42204 综放煤工作面位于二盘区，整个工作面走向长度 320 m，煤层最大倾角 5毅，最小倾角 1毅，平均厚度 6.2 m，采用放顶煤工艺沿走向推进，采放比 10.68，采煤高度 3.7 m，放顶煤高度 2.5 m。采用“一采一放”的单轮顺序放煤方式，放顶煤步距 865 mm，采用全部垮落法管理顶板。工作面直接顶和直接底均为砂质泥岩，直接顶厚度3.56 m，直接底厚度 0.55 m，直接顶、底板下部为硬度较大的中粒砂岩，平均厚度 3.57 m，老顶为平均厚度16.88 m 的粉砂岩。考虑到放顶煤厚度较大，老顶粉砂岩硬度较大，且直接顶为软弱岩层，煤层开采后，软弱顶板的垮落特征不明，为保证巷道
3、围岩的稳定性，需要进行相关的探讨与研究。2矿压显现规律2.1来压特征工作面来压主要是由老顶垮落造成，可分为初次来压和周期来压两类。当工作面回采至开切眼时，在液压支架的支撑作用下，顶板岩层不会瞬间垮落，而是形成较为稳定的梁体结构，此时结构可支撑上覆岩层；当工作面继续推进时，梁体结构力小于上覆岩层的重力，此时直接顶和老顶垮落，造成工作面的初次来压，初次来压持续时间一般较短；工作面初次来压结束后，围岩暂时处于稳定状态，此时巷道围岩变形趋于稳定，支架工作阻力减小；当工作面持续推进时，顶板岩层会形成悬臂梁结构，即岩体结构一部分处于悬空状态，一部分处于支撑状态，随着机械设备的推动，悬空状态的岩体不断裸露，
4、处于支撑状态的岩体区域不断减小，最终悬臂梁结构中裸露的岩体会再次垮落，如此往复，形成工作面的周期来压。当老顶为坚硬岩体时，来压强度往往较大，一般伴收稿日期：2022-12-06作者简介：姚士茂，1987 年生，男，江苏盐城人，主要从事矿压管理工作。放顶煤开采下围岩稳定性研究姚士茂（国能神东煤炭布尔台煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）摘要：为了厘清布尔台煤矿 42204 综放工作面来压规律袁 基于 FLAC3D数值模拟分析了剪切应力的变化规律遥 实际来压规律监测中袁 选择支架压力作为分析对象袁 发现与工作面距离小于 70 m 时袁 支架整体处于稳定状态曰 工作面推进至71.3 m 时袁 工作
5、面来压特征明显袁 来压持续长度 16.9 m曰 原 ZQL2X16280/19/35D 型液压支架可维持巷道的稳定性遥关键词：数值模拟曰 剪切应力曰 支架压力曰 来压特征曰 巷道稳定性中图分类号：TD322文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)10-0192-03Stability of Surrounding Rock in Top Coal Caving MiningYAO Shimao(Buertai Coal Mine,CHN Energy Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos 017000,Inner Mongolia,China)A
6、bstract:In order to clarify the pressure law of 42204 fully mechanized top coal caving face in Buertai Coal Mine,the changelaw of shear stress was analyzed based on FLAC3Dnumerical simulation.In the actual pressure law monitoring,the supportpressure was selected as the analysis object.It was found t
7、hat when the distance between the support and the working face wasless than 70 m,the support was in a stable state as a whole;when the working face advanced to 71.3 m,the pressure characteristicsof the working face were obvious,and the pressure duration was 16.9 m;the original ZQL2X16280/19/35D hydr
8、aulic support canmaintain the stability of the roadway.Key words:numerical simulation;shear stress;support pressure;pressure characteristics;roadway stability（总第 217 期）实践运用1922023 年第 10 期2023 年 10 月图 1不同推进距离下剪切应力变化规律随有剧烈的岩层活动，造成工作面顶板的快速下沉。此时，工作面支架阻力明显增加，如果支护不到位，会发生片帮、冒顶等事故，给工作面安全生产造成不便。2.2来压规律为了进一步查
9、明周期来压对工作面的影响，通过FLAC3D数值模拟软件分析不同推进距离下应力变化规律，数值模拟中岩石物理力学参数统计如表 1 所示。表 1数值模拟岩石物理力学参数数值模拟过程中，根据弹塑性理论，当所建模型的尺寸大于设置孔口的尺寸，且由于孔口存在而引起的应力扰动范围主要集中在距孔边 1.5 倍的孔口尺寸的范围内时，可当作小孔口问题进行分析，此类问题均具有以下特征：当小孔口范围发生应力增大时，应力会重新分布，且应力重新分布后，小孔口的压力呈现增加的趋势；当应力增大到岩石的强度极限后，应力不再增大且维持在最大水平；当应力持续降低时，小孔口问题可直接作为应力集中进行分析。在本文的研究中，需要考虑到实际
10、工程问题，因此忽略应力集中的现象，即应力的重新分布导致应力持续增大。这一假设与工作面开采条件下围岩的受力特征相符，因此在本文的研究中，将小孔看作均匀线弹性介质，根据模型尺寸和小孔直径的关系，边界受到施加应力的影响已经削弱至忽略不计，模拟结果的可靠性增强。根据 42204 综放工作面地质环境进行建模，本次模拟主要分析剪切应力的变化特征，基于实验室抗拉、抗压强度的测试，可综合分析开采过程中岩石的力学特征，以便研究来压规律。具体模拟结果如图 1 不同推进距离下剪切应力变化曲线所示。从图 1 中可以看出，在与工作面距离相同时，不同推进距离对剪切应力的影响较小，推进 150 m，300 m，450 m，
11、600 m，750 m，900 m 下剪切应力的变化规律大体一致，均呈现先增加后降低的趋势，峰值点均在与工作面距离 80 m 左右出现。以工作面推进 150 m为例，最小剪切应力为 0 MPa，证明此时岩体处于稳定状态；随着距离的增加，在 80 m 处剪切应力达到最大值 4.9 MPa；随后剪切应力逐渐降低，稳定在 3.5 MPa左右。整体而言，峰值剪切应力介于 4.85.1 MPa 之间，稳定剪切应力介于 3.03.5 MPa 之间。根据数值模拟结果，在与工作面距离 6090 m 范围内剪切应力较高，此时岩体强度低，顶板岩层更容易发生垮落，工作面来压特征会更明显。3围岩稳定性分析围岩稳定性分
12、析方法主要分为两类，一类为通过围岩的变形量分析巷道的破坏特征，间接分析压力特征，另一类为主要通过支架压力判断顶板垮落过程中岩体的受力特征。本文主要通过支架压力变化反映围岩的稳定性。图 2 为 2022 年 9 月 28 日监测得到的工作面支架压力变化柱状图。从图 2 中可以看出，工作面支架压力变化呈现锯齿形，并不具有明显的规律性，支架最大压力值达到 33.3 MPa，最小压力值为 24.5 MPa，平均值为 28.1 MPa。图 2工作面支架压力监测图（2022 年 9 月 28 日）图 3 为 2022 年 10 月 6 日监测得到的工作面支架压力变化柱状图。从图 3 中可以看出，支架压力于
13、 10 月6 日变化不大，支架最大压力值达到 30.1 MPa，最小压力值为 26.7 MPa，平均值为 28.3 MPa。图 4 为 2022 年 10 月 11 日监测得到的工作面支架压力变化柱状图。从图 4 中可以看出，支架压力值与前几日监测值相比变化不大，支架最大压力值达到31.4 MPa，最小压力值为 26.7 MPa，平均值为 28.9 MPa。岩性泊松比容重/（kN m-3）抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa内摩擦角/(毅)黏聚力/MPa细砂岩0.2326.2657.897.2944.0538.087.28砂质泥岩 0.2625.2632.533.5328.4837
14、.582.35煤0.3415.3411.051.386.7331.081.596543210推进 150 m；推进 300 m；推进 450 m；推进 600 m；推进 750 m；推进 900 m。100 120 140 160 180 200204060800与工作面距离/m100 110 120 130 140 1503530252015105010 20 30 40 50 60 70 80 900支架编号姚士茂：放顶煤开采下围岩稳定性研究1932023 年第 10 期2023 年 10 月图 4工作面支架压力监测图（2022 年 10 月 11 日）图 5 为工作面推进至 71.3 m
15、 时支架压力监测图。这一阶段，工作面来压特征明显，支架压力普遍增大，最小支架压力值 33.6 MPa，最大支架压力值 51.6 MPa。现场可清晰听见顶板垮落的刺耳声，且扬尘极大，综合判断为顶板的周期来压。对比分析不同监测日期下工作面支架压力变化，可以看出虽然个别监测日期内支架压力有小幅度增加，但是整体压力变化不大，均处于稳定状态。2022 年9 月 28 日，机头共推进 15.2 m，此时机尾和机头相距6.2 m，对应支架上部的采空区直接垮落；2022 年 10 月6 日，工作面机头推进 33 m，机尾推进至 45 m，机尾部分顶板垮落，垮落时扬尘极大，工作面及两顺槽内均可听到明显的声音；2
16、022 年 10 月 11 日，机头推进至 68.2 m 位置，顶板压力出现小范围增大，但是整体处于稳定状态，无大面积来压现象，可见支架可有效维护工作面的安全性。随后继续对工作面支架压力进行监测，支架的最大压力值达到 51.6 MPa，此时工作面支架压力普遍较大，工作面来压特征明显，采空区声音巨大，但是工作面无明显片帮，工作面的实测来压步距为 71.3 m，来压持续长度为 16.9 m。可见 ZQL2X16280/19/35D 型液压支架可有效维护工作面巷道的稳定性，且实测来压步距与数值模拟结论一致，间接证明了数值模拟结果的可靠性，可利用这种方法继续分析同一工作面不同开采段以及不同工作面开采段
17、岩石的力学特征。4结论根据对布尔台煤矿 42204 综放工作面来压特征的研究，主要得到以下结论：1)数值模拟结果显示，无论推进距离多长，距离工作面 80 m 左右时，岩石剪切应力值均达到最大，此时顶板易垮落，工作面来压特征明显。2)工作面支架压力监测曲线显示，当与工作面距离小于70 m 时，支架压力无大范围变化，部分顶板垮落造成支架压力增大，但是支架压力整体稳定。3)工作面推进至 71.3 m 时，工作面来压特征明显，支架最大压力达到 51.6 MPa，来压持续长度 16.9 m，ZQL2X16280/19/35D 型液压支架可维持巷道的稳定性。参考文献：1 刘贤.放顶煤采煤法研究 J.科学技
18、术创新，2020(8)：151-152.2 刘泽兵，樊建明.浅谈综采放顶煤矿压显现规律 J.中小企业管理与科技（上旬刊），2013(11)：199.3 李书民，牛国良，焦荣坤.倾斜不稳定厚煤层伪俯斜放顶煤矿压观测实践 J.中州煤炭，2007(2)：58.4 郑补存.端头不放顶煤长度对侧向应力分布的影响研究 J.矿业装备，2019(6)：30-31.5 水鑫忠.综采放顶煤工作面压力监测分析及试验研究 J.山西科技，2017，33(2)：52-57.6 贺龙.麦捷煤业综放工作面回收率提升措施分析 J.能源与节能，2022(10)：216-218.（编辑：刘晓芳）图 3工作面支架压力监测图（2022 年 10 月 6 日）图 5工作面推进至 71.3 m 时支架压力监测图35302520151050支架编号100 110 120 130 140 15010 20 30 40 50 60 70 80 900支架编号100 110 120 130 140 15010 20 30 40 50 60 70 80 9006050403020100支架编号100 110 120 130 140 15010 20 30 40 50 60 70 80 90035302520151050194
