王永佳 劉建偉 宋選民

(太原理工大學采煤工藝研究所，山西省太原市，030024)

★ 煤炭科技·開拓與開采★

千米深井大采高綜放工作面垮落帶高度研究

王永佳 劉建偉 宋選民

(太原理工大學采煤工藝研究所，山西省太原市，030024)

利用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，綜合考慮深埋煤層綜放開采條件下采高和埋深對垮落帶高度的影響，計算得出采高和埋深的單因素和雙因素回歸分析方程。通過對比分析，回歸方程比傳統(tǒng)經(jīng)驗公式更加適用，且回歸方程所得結(jié)果與實際垮落帶高度十分接近，對深部綜放工作面的安全生產(chǎn)有著一定實際應用價值。

千米深井 綜放開采 垮落帶高度 數(shù)值模擬 回歸分析

采場上覆巖層的運動規(guī)律一直都是采礦研究的重點問題。近年來，隨著采掘設備的發(fā)展，煤礦開采有著不斷向深部發(fā)展的趨勢，越來越多的超千米深井開始投入使用。為了研究不同條件下采場覆巖的運動規(guī)律，康紅普等通過UDEC數(shù)值模擬軟件研究了不同支護條件下超千米深井巷道圍巖變形特征；劉德乾等通過相似模擬實驗研究了深埋煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其控制；劉海勝等通過理論分析和相似模擬研究了大采高工作面的上覆巖層結(jié)構(gòu)特征；李化敏、弓培林等通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬研究了大采高工作面礦壓和上覆巖層的運動規(guī)律；張宏偉等通過理論分析與數(shù)值模擬等方法，結(jié)合實例研究分析了不同條件下垮落帶與裂隙帶高度的確定。本文針對潞安集團姚家山礦的特殊情況，通過FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值分析模型，結(jié)合現(xiàn)場實例分析研究了深埋煤層綜放工作面埋深和采高對垮落帶高度的影響，并計算得出采高和埋深對垮落帶高度的單因素和雙因素回歸方程。

1 理論計算

長期以來，我國針對垮落帶高度的研究以現(xiàn)場實測為主，通過大量的觀測數(shù)據(jù)，在《三下采煤規(guī)程》中給出了適用于普采和分層綜采條件下的垮落帶高度經(jīng)驗公式，中硬覆巖條件下的經(jīng)驗公式為：

(1)

式中：HM——垮落帶高度，m；

M——采厚，m。

綜放開采已經(jīng)是我國開采厚煤層的主要方式之一，根據(jù)大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，放頂煤工作面的垮落帶高度與一次采全高相比，差異較大，一般不能使用上述經(jīng)驗公式計算垮落帶高度，同時工作面埋深的變化也會對垮落帶高度造成影響，隨著工作面埋深的增加，垮落帶的高度也應該隨之增加。但是經(jīng)驗公式并沒有考慮工作面埋深的增加對垮落帶高度的影響，也沒有考慮綜放工作面開采時的垮落帶高度變化，這將使深部大采高綜放工作面的垮落帶高度計算產(chǎn)生誤差。因此，本文針對潞安姚家山礦千米深井的特殊條件，使用數(shù)值模擬的方法對不同采高、不同埋深的采場覆巖垮落帶高度進行數(shù)值分析研究。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 建立數(shù)值模型

潞安集團姚家山礦22106綜放工作面埋深約為1000 m，煤層平均厚度7.99 m，采用低位開天窗綜采放頂煤技術(shù)。工作面采厚為4 m，頂煤厚3.99 m，煤層傾角平均為3°。直接頂為5.3 m厚泥巖，老頂為4.1 m厚中砂巖，直接底為5.2 m厚石灰?guī)r，老底為3.8 m厚細砂巖。主要力學參數(shù)見表1。

表1 巖層主要力學參數(shù)

依據(jù)姚家山礦實際地質(zhì)情況，根據(jù)需求，將采厚分別取為6.00 m、7.99 m、9.00 m，工作面埋深分別取800 m、1000 m、1200 m，由此，共設計了9 種模擬方案，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬設計方案

運用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，依照姚家山礦實際地質(zhì)情況建立三維數(shù)值模型，根據(jù)不同的模型設計方案，分別建立長×寬×高為200 m×400 m×62.5 m、200 m×400 m×64.6 m和200 m×400 m×65.5 m的三維模型，依據(jù)埋深不同施加不同的邊界條件和地應力進行數(shù)值模擬。

2.2 結(jié)果分析

依照模擬方案進行數(shù)值模擬，并在工作面中點處垂直工作面取模型剖面圖，顯示塑性破壞區(qū)，不同條件下的塑性區(qū)分布如圖1、圖2、圖3所示。

對照圖1、圖2、圖3的塑性破壞區(qū)，根據(jù)垮落帶的力學特性可知，頂板發(fā)生斷裂垮落時，應發(fā)生拉伸破壞，即圖中同時發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞的區(qū)域即為垮落帶區(qū)域。由圖1可以看出，當采厚不變時，頂板拉伸破壞區(qū)隨埋深的增加而增大，頂板垮落帶高度也隨埋深增加而增加。由圖2和圖3可以看出，當埋深不變時，隨著采厚的增加，頂板的垮落帶高度也隨之增加，不同條件下垮落帶高度具體數(shù)據(jù)見表3。

圖1 不同埋深采厚6 m時塑性破壞區(qū)

圖2 不同埋深采厚7.99 m時塑性破壞區(qū)

圖3 不同埋深采厚9 m時塑性破壞區(qū)

方案采厚/m埋深/km垮落帶高度/m123456789666799799799999081012081012081012225247317283308352312326368

2.2.1 采厚與垮落帶高度關(guān)系

由表3可以看出，埋深不變時，隨著采厚的增加，垮落帶的高度也在增加。采厚為6 m時，垮落帶高度為22.5～31.7 m，取平均值27.1 m；采厚為7.99 m時，垮落帶高度為28.3 ～35.2 m，取平均值31.75 m；采厚為9 m時，垮落帶高度為31.2～36.8 m，取平均值34.0 m。對不同采厚的垮落帶高度做指數(shù)擬合：

HM=17.19e0.0761M

(2)

相關(guān)系數(shù)R2為0.9988，說明二者顯著相關(guān)，頂板垮落帶高度隨采厚增大而呈指數(shù)變化。

2.2.2 埋深與垮落帶高度關(guān)系

由表3還可以看出，采厚不變時，隨埋深的增加，垮落帶高度也隨之增加。埋深為800 m時，垮落帶高度為22.5～31.2 m，取平均值26.35 m；埋深為1000 m時，垮落帶高度為24.7～32.6 m，取平均值29.65 m；埋深為1200 m時，垮落帶高度為31.7～36.8 m，取平均值34.25 m。對不同埋深的垮落帶高度做指數(shù)擬合：

HM=16.191e0.6086d

(3)

式中：d——煤層埋深，km。

相關(guān)系數(shù)R2為0.9323，說明二者顯著相關(guān)，頂板垮落帶高度隨埋深增大而呈指數(shù)變化。

2.2.3 采高、埋深與垮落帶高度的關(guān)系

對表3中9組數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，最后得到埋深、采厚與覆巖垮落帶高度的關(guān)系：

HM=-6.32+2.44M+18.08d

(4)

復相關(guān)系數(shù)R2為0.9276，說明頂板垮落帶高度與煤層采厚和埋深顯著相關(guān)。

對式(4)進行顯著性檢驗，顯著性統(tǒng)計量為0.00016，遠小于顯著性水平0.05，所以該回歸分析方程效果顯著。對式(2)和式(3)進行顯著性檢驗，其顯著性統(tǒng)計量分別為0.00033和0.000383，遠小于顯著性水平0.05，所以采厚和埋深均與垮落帶高度相關(guān)，采高變化對垮落帶高度的影響較大，埋深次之。

2.3 模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式比較

為了檢驗模擬結(jié)果的誤差大小，表4列出了不同采高下傳統(tǒng)經(jīng)驗公式與式(2)所計算的垮落帶高度對比。

表4 傳統(tǒng)經(jīng)驗公式與回歸方程計算垮落帶高度對比

通過表4可以看出，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式與回歸方程(2)所計算的結(jié)果相差較大，采厚為6 m時，經(jīng)驗公式與回歸方程計算的垮落帶帶高度相差53.17%；采厚為7.99 m時，誤差增至55.26%；采厚為9 m時，誤差最大，為56.95%?？梢?，傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算的結(jié)果誤差較大，不適用于綜放工作面的垮落帶高度計算，且隨著采厚的增加，誤差也在逐漸增大。

3 現(xiàn)場實例分析

鉆孔返水計量法是觀測垮落帶高度的常用方法，其基本原理是利用鉆孔單位時間內(nèi)的漏水量作為觀測指標，正常條件下，鉆孔單位時間返水量應基本保持不變，當鉆孔返水量突然降低或不返水時，則說明鉆孔已探至垮落帶位置。

為檢驗本文所得出回歸方程的準確性，結(jié)合實際地質(zhì)情況，利用鉆孔返水計量法對姚家山22106工作面及其鄰近工作面的垮落帶高度進行觀測，并與式(4)所計算的結(jié)果進行對比，整理結(jié)果如表5所示。

表5 垮落帶高度對比分析

由表5可知，對姚家山22106工作面、22104工作面和22110工作面實際觀測所得的垮落帶數(shù)值與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式相比相差較大，與回歸分析方程所得結(jié)果相比十分接近，誤差很小，進一步驗證了該回歸方程的準確性。

4 結(jié)論

以姚家山礦千米深井的地質(zhì)條件為背景，進行數(shù)值模擬，得出綜放條件下采厚和埋深對上覆巖層垮落帶高度的影響，并得到回歸分析方程。通過與傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的對比和現(xiàn)場實例的分析，驗證了所得回歸方程的適用性，主要結(jié)論如下：

(1)通過數(shù)值模擬的方法，對不同采厚和埋深條件下煤層頂板垮落帶高度進行研究，并對模擬結(jié)果整理分析，得到關(guān)于垮落帶高度的回歸分析方程。

(2)利用鉆孔返水計量法對姚家山22106及其附近工作面垮落帶高度進行實際觀測，觀測結(jié)果與回歸分析方程所計算結(jié)果十分接近，誤差較小，證明該公式在姚家山及相似礦井具有一定的適用性。

運用此公式可以對深埋煤層綜放開采條件下的垮落帶高度進行預測，可以幫助確定突出礦井保護層的位置、鄰近層瓦斯抽放施工以及計算工作面支架的工作阻力，為支架選型提供依據(jù)，保障煤礦安全高效生產(chǎn)。

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Studyonheightofcavingzoneatfullymechanizedcavingfacewithlargeminingheightinthousand-meterdeepshaft

Wang Yongjia, Liu Jianwei, Song Xuanmin

(Research Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

By using numerical simulation software FLAC 3D and considering overall the influence of mining height and buried depth on the height of caving zone in the conditions of full-mechanized caving mining in deep seam, the single-factor and double-factor regression analysis equations were calculated. The contrastive analysis results showed that the regression equations were more applicable than the traditional experience formula, and the height of caving zone calculated by the regression formulas were closer to the field measurement, which had a certain practical application value to safety production of deep fully mechanized caving face.

thousand-meter deep shaft, fully mechanized caving mining, height of caving zone, numerical simulation, regression analysis

國家科技支撐計劃項目(2007BAK29B02)

王永佳，劉建偉，宋選民. 千米深井大采高綜放工作面垮落帶高度研究[J]. 中國煤炭，2017,43(12)：63-67.

Wang Yongjia, Liu Jianwei, Song Xuanmin. Study on height of caving zone at fully mechanized caving face with large mining height in thousand-meter deep shaft[J]. China Coal, 2017, 43(12):63-67.

TD 322

A

王永佳(1992-)，男，山西長治人，太原理工大學采煤工藝研究所在讀碩士，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。

(責任編輯 郭東芝)