上提工作面压架危险性影响因素数值分析
摘 要：针对提高回采上限工作面易发生压架事故，以某矿上提工作面地质条件为背景，采用FLAC3D数值模拟软件建立了相应的分析模型，研究了基岩厚度、采高、支架工作阻力、面长、煤层倾角对采场顶板下沉量的影响。结果表明：上提面压架危险性随着基岩厚度、支架工作阻力和煤层倾角的减小而增大，随着采高和面长的增大而增大。这些结论可为上提工作面压架危险性预测及防治提供了理论依据。
关键词：提高上限工作面；压架事故；影响因素；数值分析；采高
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.086
提高回采上限，缩小防水煤柱高度，可以延长矿井第一水平服务年限，提高煤炭资源回收率。但是，由于回采上限的提高，煤層顶板岩性发生了变化，易发生工作面压架事故，造成重大经济损失。本文以某矿上提工作面煤层地质条件为背景，采用FLAC3D数值模拟软件研究了支架工作阻力、采高、面长、煤层倾角各种因素对上提工作面压架危险性的影响。
1 工作面概况
试验面可采走向长度930m，面长120.7m，煤层总厚5.4m，煤层倾角平均13°，可采储量62万吨。原设计回采上限标高-390m，回风顺槽实际顶板标高为-377.9～-385.4m，上方新生界松散层厚367.4～378.0m，“红层”+中隔厚度为22.5～28.3m，提高上限开采4.6～12.1m，留设的最小煤岩柱厚为50.6m。
2 数值模拟模型构建
根据试验面采掘工程平面图建立数值计算模型。模型长320m，宽260m，高163m。采用摩尔-库仑准则计算。本区新生界底界面往下垂深30m为风氧化带，回采上限为新地层界面下垂深55m。
3 上提工作面覆岩运移特征
上提工作面采场围岩控制的关键在于工作面顶板下沉量要控制在一定范围内，保证支柱具有行程，工作面支架不被压死。所以本文以采场顶板下沉量为评价指标，对比分析了不同开采地质条件下上提工作面压架危险性。
图1为顶板下沉量变化曲线，从图中可以看出，由于试验面为走向长壁提高回采上限工作面，工作面两顺槽埋深不一样，基岩厚度不一样，所以，顶板下沉量呈非对称出现。顶板下沉量峰值位置不是出现在工作面中部位置，而是当观测点距离机巷70m时，顶板下沉量达到最大值1268.4mm。总的来说，工作面中上部位置由于基岩厚度较薄，顶板不易形成“砌体梁”平衡结构，所以，顶板下沉量要大于中下部。
4 上提面压架危险性影响因素
4.1 采高对压架危险性的影响
采高不仅是“三下”开采导水裂隙带高度预计的重要参数，而且还是上覆关键层破断块体能否形成稳定的“砌体梁”铰接平衡结构，采场矿压显现是否强烈的重要影响因。以初始模型为基础，仅改变采高，研究了采高分别为3m、4m、5m时采场顶板下沉量。
工作面采高由5m减小到3m时，顶板下沉量迅速减小，在工作面两端头顶板下沉量随采高的减小逐渐减小，当测点距离两顺槽大于10m后，顶板下沉量随采高的减小而迅速减小。当采高为5m时，顶板下沉量最大值为1441mm，当采高降为3m时，顶板下沉量最大值降为762mm。所以，对于上提面在保证支架活柱具有一定行程下，降低采高可有效控制采场顶板下沉量。
4.2 支架工作阻力对压架危险性的影响
在原模型的基础上通过改变支护强度，分析了弱（0.425MPa）、中（0.85MPa）和强（1.7MPa）不同支护强度下采场顶板下沉量当支护强度降为为0.425MPa（3200KN）时，顶板下沉量最大值迅速增加到1687.0mm，就有可能在工作面中上部首先发生压架事故。
4.3 面长对压架危险性的影响
试验面为零阶段提高上限开采工作面，设计面长120.7m，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？是提高回采上限开采需要探讨的问题。在原模型的基础上，胶带顺槽位置保持不变，回风顺槽沿煤层倾向向外移动30m，研究工作面面宽增加到150m时上提面矿压显现特征。
工作面面长增加了30m，相当于回采上限又提高了6.93m，上顺槽基本布置在风氧化带内，基岩厚度减薄，工作面顶板下沉量急剧增大。在工作面中下部，工作面面长变化对顶板下沉量影响不大，两条曲线基本重合。当观测点距离机巷大于60m后，即工作面超过回采上限，工作面面长变化将对顶板下沉量造成一定的影响。最大顶板下沉量由面长为120m时的1268.4mm增加到面长为150m时的1351.7mm，约增加了100mm。顶板下沉量的增加，就有可能发生压架事故。
5 工程实践
试验面于2016年2月5日开始回采，于2016年7月15日顺利回采结束，共生产原煤97.79万t，最高月产达23.10万t。其中通过缩小防水煤柱，提高回采上限多产煤炭48.90万t。说明该工作面支架选项合理，工作面设计满足要求。
6 结语
（1）上提面支架工作阻力越大，顶板下沉量就越小，就越不容易发生压架事故。（2）工作面面长越长，采动就越充分，顶板下沉量就越大，尤其是走向长壁工作面，增加面长，风巷上方的基岩厚度减薄，压架危险性就会增加。（3）煤层倾角越小，可能整个工作面都处在回采上限之上，就具有较高的压架危险性。
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作者简介：宁涛（1986-），安徽宿州人，本科，助理工程师，从事生产技术管理工作。