摘要：确定合理的工作面长度不仅要考虑开采煤层的自然地质条件，还需要考虑矿井生产能力、采场围岩应力及设备能力等因素，并且工作面长度极大地受制于支架对顶板的控制能力。因此在进行张集煤矿A组煤大采高工作面开采长度探究时，通过理论分析、试验研究、数值模拟等研究方法，综合考虑了推进速度、支架阻力、采岩围场等因素，最终确定了工作面的合理设计长度，以保证工作面的高产高效开采。
关键词：A组煤；大采高；工作面长度；支架阻力
Exploration of Mining Length of Large Mining Face in Group A Coal in Zhang Ji Coal Mine
Li Yuanhong，Wei Ting-shuang，Zhu Xiaomei
（Zhangji Coal Mine，Huainan Mining Group Co.，Ltd..，Huainan，232174，Anhui）
Abstract：For determine the length of the coal mining working face is not only reasonable to consider the natural geological conditions，also need to consider the production capacity of the mine，the stope surrounding rock control and equipment capacity constraints，and the length of working face greatly restricted by the capacity control of roof support.So through the theoretical analysis，experimental research and numerical simulation in Zhangji Coal Mine Coal Mining group A length high face mining exploration，considering the advancing speed，production capacity，support resistance，mining rock enclosure and other factors，ultimately determine the reasonable design length，to ensure the high yield and high efficiency mining working face.
Key words：group A coal；large mining height；working face length；support resistance
1.概况
张集煤矿为淮南矿业集团所辖的潘谢新区中一座大型生产矿井，可采煤层14层，平均厚度总计29.75m，利用厚度总计28.30m，主要可采煤层5层，分别为13-1煤、11-2煤、8煤、6煤、1煤（又叫A组煤）。其中 A组煤赋存稳定，煤质优良，煤层相对较厚，可开采储量占矿井剩余可采储量的1/4，将成为矿井未来的主要开采煤层，也是实现矿井稳产、提升效益的关键。张集煤矿西二A组煤工作面为7.2m大采高，煤层松软，工作面片帮煤较多。
工作面的产量和效率在一定程度上随工作面长度的增加而增加，加大工作面长度不仅减少准备和回采工程量，也降低了端头作业、进刀等辅助作业时间，从而保证了工作面的高产高效。但是随着工作面长度的增加，使得设备参数上产生很大的改变，工作面设备可靠性存在不确定性，影响了工作面生产安全和效率。因此确定合理工作面开采长度，有利于实现工作面的高产高效及安全生产。
2.首采面长度的理论计算
在综合考虑设备因素、经济因素、产量因素的基础上，结合张集煤矿西二A煤首采面地质条件，通过FLAC3D数值模拟分析，确定工作面长度对矿山压力显现的影响，进而工作面长度进行优化分析。
分别设定工作面长度为160、180、200m，按照初次来压步距80m计算，通过数值模拟分析工作面长度与围岩位移、垂向应力、塑性区分布等之间的关系，计算结果如表1所示。
表1 工作面长度对工作面围岩矿压显现的影响
由表1比较分析可知，当初次来压步距为80m时，工作面长度设为180m较为合理。
3、工作面推进长度校核
3.1 推进速度对周期来压步距的影响
随着推进速度的加快，工作而覆岩应力降低区和周围煤岩体破坏区的范围都相应减小，说明工作面快速推进时不能使采场围岩充分卸压。围岩受破坏程度较小，具有较好的完整性，若将岩体视为黏弹性体。推进速度越快，岩体的塑性变形时间就越短，岩体的黏性变形不易得到充分发展，总的变形量也就越小。老顶受采动破坏的程度相对较小。而当工作而推进较慢时，老顶受到采动破坏的程度相对较小，高速推进时老顶的实际抗拉强度RT，比推进慢时要大，而且“覆岩载荷”的传递过程具有一定的时间效应。推进速度较快时，载荷传递不充分，作用于老顶的载荷q相对减小，依据式1所示的计算方法，老顶周期来压步距将会由于载荷的增加和抗拉强度的减小而有所增大。
式中：L为周期来压步距，m；h为老顶岩层厚度，m；RT为老顶的抗压强度，MPa；q为作用在老顶上的载荷及老顶自重，MPa。
3.2推进速度对来压持续长度的影响
来压持续长度在数值上等于来压结束时对应的工作面推进距与此次来压开始时工作面推进距的差值，实质上反映了老顶从开始断裂回转到触矸稳定的整个过程所对应的工面持续推进距离。不同推进速度下老顶“砌体梁”结构来压时破断块体回转运动对来压持续长度的影响如图5、图6所示。
图5低速推进下老顶块体回转运动示意图 图6高度推进下老顶块体回转运动示意图
由上图可知，当工作而高速推进时，顶板载荷传递不充分，围岩受损伤变形程度降低，内部裂隙不发育，直接顶垮落不充分，采空区充实程度降低，采空区上部形成的回转空间较大，即图6中△S2大于图5中△S1。当老顶发生破断并开始回转时，工作面开始来压。由于推进较快时老顶下沉量W2大于W1，老顶需要更大的回转量才能触矸稳定，使老顶对支架的影响距离增加，导致来压持续长度增大，即图6中的S2大于图5中S1。
3.3 推进速度对支架载荷及动载系数的影响
在非来压时，由于推进速度较快，直接顶受采动损伤破坏较小。直接顶重量不能充分地传递到支架上，导致非来压时支架载荷相对较低。高速推进时，围岩完整性和承载性能较好，来压步距有所增大，老顶破断回转引起工作面来压的过程中，破断岩块长度与推进较慢时相比有所增加，支架所控制的岩层重量增加。因此在推进较快时，来压期间支架载荷略有增加，但是增幅不大。
工作面周期来压时的动载系数由于来压时支架载荷的增加和非来压时支架载荷的减小而有所增加。
3.4 工作面推进速度的确定
推进速度的改变主要影响了顶板垮落和裂缝发育的充分程度。推进太慢，工作面无法及时通过周期来压的影响段，会导致支架被压；推进过快只能加剧工作面煤壁前端及顶板岩层的应力集中程度。为此结合数值模拟，通过UDEC对5.0m、7.0m、10m三种推进度下支架受力分析，由支架受力判断合理推进速度应在4.0m/d～6.0m/d。具体如图7、图8所示。
图8 推进速度与支架压力关系
4 液压支架工作阻力分析
4.1液压支架工作阻力计算
按照张集矿A组煤顶板条件，9.6m中细砂岩层强制放顶后其上覆的两层坚硬砂岩层是否随之破断对支架平衡荷载将产生明显影响，通过相关力学分析，建立的力学模型如图9、图10所示，并能过公式（3）确定不同上位岩层破断完全不承载时支架工作阻力大小。
图 9 悬臂梁结构来压持续过程示意图
图10 采场顶板力学模型
A组煤层顶板厚按9.6m、15m破断距强制放顶时，其上两层砂岩层随之破断与否作用在支架上的力经过力学计算如下表2。
表2 周期来压期间支架工作阻力值
4.2岩应力分析结果
（1）对比不同面长时最大主应力云图，面长160m时煤层顶板3.9m厚砂岩及以上硬岩层作为主要承载岩层承担其上覆岩层重量，工作面支架主要承载其下部9.6m砂岩重量；面长180m～200m工作面两侧未压实区域顶板岩层重量主要由4.5m砂岩承担，意味着工作面支架承载重量增加。
（2）垂直应力及剪应力云图反映出工作面两侧未压实区域33m～38m，其余为采空区逐步稳定及稳定区域。
（3）采场覆岩破坏高度52m～58m，为采高的7.4～8.3倍。底板破坏深度21.2m，超出1灰赋存深度4.2m。
（4）面长160m时支架最大工作阻力9756KN；面长180m时支架最大工作阻力13728KN；面长200m时支架最大工作阻力14800KN。
5 总结
布置合理工作面采长具有减少回采巷道工程量、降低搬家次数，提高煤炭回采率及经济效益显著的优点。针对张集矿A组煤工作面特点，综合考虑影响工作面长度的地质、设备条件技术管理、经济效益等因素进行分析，最终确定张集矿A组煤工作面面长180m较为合适。
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作者简介：
李圆鸿（1982-），男，安徽安庆人，现在淮南矿业集团张集矿从事技术管理工作。
论文作者:李圆鸿,魏廷双,朱小美
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：工作面论文; 支架论文; 长度论文; 顶板论文; 载荷论文; 煤层论文; 岩层论文; 《基层建设》2018年第26期论文;