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摘要：为实现风水沟煤矿松软煤层安全高效开采，通过FLAC3D数值模拟，分析了90m、120m、150m、180m、200m、220m及240m等不同工作面长度条件下工作面走向和倾向的应力状态分布以及顶板破坏状态。研究结果表明：（1）工作面倾向应力分布呈现“区域性”，表现在工作面采空区侧端头处应力集中程度最大，中部应力集中程度次之，实体煤侧端头处最小；（2）随着工作面倾向长度的增加，超前支承压力峰值大小及影响范围不断增大，当工作面扩展至一定的长度后，超前支承压力的大小及影响范围趋于稳定；（3）现场实践表明：风水沟煤矿工作面倾向长度确定为188m是可行的。
关键词：松软煤层；大采高综采；工作面倾向长度；应力分布
合理确定大采高综采工作面倾向长度，不仅有利于矿井集中化生产，而且有助于优化矿井资源配置，减少煤炭资源浪费，同时还可以有效解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题[1]。根据对近年高产高效工作面统计，大采高工作面长度一般在200m以上，如表1所示，但是由于采煤机、液压支架、运输机等装备水平有限、井下通风、安全管理等方面的限制，工作面长度受到制约，需要确定在合理开采范围内[4]。基于此，本文以风水沟煤矿松软煤层大采高综采工作面为研究对象，分析不同工作面长度条件下矿压显现规律及顶板破坏状态，以期得到风水沟煤矿松软煤层工作长度合理取值，为相似煤矿安全高效开采提供借鉴意义。
1 风水沟煤矿工作面介绍
风水沟煤矿开采5#煤层，煤层厚度6m，煤层倾角7～13°，煤层节理裂隙发育，无明显褶曲构造，无岩浆侵入体，无河流冲刷带，工作面仰采角度8°左右。
2 数值模型建立
為保证工作面的安全高效回采，首先应保证现有支架支护强度下顶板的稳定性。为此，针对风水沟煤矿限定支架支护强度下不同工作面长度时围岩应力分布及頂板的破坏情况，利用FLAC3D分析了不同工作面长度下顶板围岩应力分布情况，从而确定合理的工作面长度。
3 工作面倾向应力分布状态
根据数值模拟可知，不同工作面长度下倾向围岩应力状态可知，风水沟煤矿工作面回采时，工作面倾向应力分布呈现“区域性”，表现在工作面采空区侧端头处应力集中程度最大，中部应力集中程度次之，实体煤侧端头处最小。当工作面长度逐渐延长时，工作面倾向方向不同区域应力集中程度不断增大，当工作面扩展至一定的范围后，应力集中程度逐渐趋于稳定。
当工作面倾向长度处于90m～150m之间时，随着倾向长度的扩展，工作面应力集中呈现缓慢增长的趋势；当工作面由150m增至180m的过程中，集中应力程度明显增大；当工作面长度由180m继续延长时，工作面不同区域集中应力逐渐趋于稳定。
4 工作面走向应力分布状态
为更清楚的了解工作面围岩应力随工作面长度的变化趋势，以下针对不同工作面长度下走向方向围岩应力进行了分析，随着工作面的逐步推进，在工作面前方形成支承压力降低区、支承压力增高区、原岩应力区。
总体来讲，随着工作面倾向长度的增加，超前支承压力峰值大小及影响范围不断增大，当工作面扩展至一定的长度后，超前支承压力的大小及影响范围趋于稳定。如上图可知，工作面倾向长度为90m时，超前支承压力位于工作面前方5.0m处，峰值为23.2MPa；工作面倾向长度为120m时，超前支承压力位置未发生变化，峰值增至24.6MPa；工作面倾向长度为150m时，超前支承压力仍位于工作面前方5.0m处，峰值为26.2MPa；当工作面倾向长度扩展至180m时，超前支承压力峰值转移至工作面前方10m处，峰值增至29.5MPa；工作面延长至200m时，支承压力峰值仍位于工作面前方10m处，峰值增至30.1MPa；当工作面继续延长至220m～240m时，其支承压力峰值的大小及位置逐渐趋于稳定，峰值位置位于工作面前方10m处，峰值大小为30.3MPa。
5 不同工作面长度下顶板破坏状态
分析不同工作面长度下顶板破坏状态可知，整体来讲，随着工作面长度的增加，上覆岩层破坏范围逐渐增大。当工作面长度为90m时，上覆顶板36m范围内顶板发生破坏，其中拉伸破坏高度即顶板冒落高度为16m；工作面为120m时，顶板破坏高度达到52m，顶板冒落高度仍为16m；工作面延长至150m时，上覆顶板破坏高度达到72m，冒落高度增至20m；当工作面扩展至180m时，模拟上覆顶板发生完全破坏，顶板冒落高度延伸至上方28m；工作面继续由180m延长至240m时，顶板冒落高度不再向上继续扩展，逐渐趋于稳定。
总结以上分析可知，风水沟工作面在原有支护状态下，当工作面倾向长度增至180m时，工作面集中应力、顶板破坏范围、煤柱应力集中程度均呈现明显增大的趋势。因此模拟分析认为，当前支护强度下，当工作面倾向长度超过180m时，应严格保证支架初撑力，及时观测支架工作阻力变化状态，建立完善的矿压预警系统，保证工作面的安全高效回采。
由于风水沟煤矿工作面利用原综采设备，因此受配套设备装备水平的制约，工作面长度应在一定的合理范围内。当工作面长度超过某一范围时，工作面设备可靠性降低，生产管理困难，工作面难以实现高产高效，因此将工作面长度确定为188m。
6 应用效果
风水沟煤矿工作面布置时，倾向长度188m，实际回采期间，支架工作阻力在4000kN以下的占3.49%，4000-5000kN之间的占17.63%，5000-6000kN之间的占41.66%，6000-7000kN之间的占37.15%，7000kN以上的仅占0.06%，支架工作阻力普遍集中在4000-7000kN之间，除局部区域支架处于高工作阻力状态外，绝对部分部分支架满足顶板支护要求。
7 结论
（1）风水沟煤矿松软煤层工作面回采时，工作面倾向应力分布呈现“区域性”，表现在工作面采空区侧端头处应力集中程度最大，中部应力集中程度次之，实体煤侧端头处最小。
（2）随着工作面倾向长度的增加，超前支承压力峰值大小及影响范围不断增大，当工作面扩展至一定的长度后，超前支承压力的大小及影响范围趋于稳定。
（3）在原有装备水平条件下，适当增大松软煤层工作面长度是可行的。
参考文献：
[1]吴有增.高瓦斯松软厚煤层大采高超长综放工作面高产高效技术研究[J].中国煤炭，2009，35（6）：51-54.
[2]刘清宝.红柳煤矿 6m 大采高工作面开采技术及设备选型研究[J].西安科技大学硕士学位论文，2012.
[3]辛培乐.寺河矿大采高工作面支架系统可靠性分析[J].科技情报开发与经济，2007，17（3）：289-290.
[4]曹胜根，缪协兴.超长综放工作面采场矿山压力控制[J].煤炭学报，2001，26（6）：621-625.
作者简介：
候敬民（1974.11～），男，内蒙古，汉族，硕士学位，内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司生产技术部副主任，一直从事煤矿的生产和技术管理工作。
关键词：松软煤层；大采高综采；工作面倾向长度；应力分布
合理确定大采高综采工作面倾向长度，不仅有利于矿井集中化生产，而且有助于优化矿井资源配置，减少煤炭资源浪费，同时还可以有效解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题[1]。根据对近年高产高效工作面统计，大采高工作面长度一般在200m以上，如表1所示，但是由于采煤机、液压支架、运输机等装备水平有限、井下通风、安全管理等方面的限制，工作面长度受到制约，需要确定在合理开采范围内[4]。基于此，本文以风水沟煤矿松软煤层大采高综采工作面为研究对象，分析不同工作面长度条件下矿压显现规律及顶板破坏状态，以期得到风水沟煤矿松软煤层工作长度合理取值，为相似煤矿安全高效开采提供借鉴意义。
1 风水沟煤矿工作面介绍
风水沟煤矿开采5#煤层，煤层厚度6m，煤层倾角7～13°，煤层节理裂隙发育，无明显褶曲构造，无岩浆侵入体，无河流冲刷带，工作面仰采角度8°左右。
2 数值模型建立
為保证工作面的安全高效回采，首先应保证现有支架支护强度下顶板的稳定性。为此，针对风水沟煤矿限定支架支护强度下不同工作面长度时围岩应力分布及頂板的破坏情况，利用FLAC3D分析了不同工作面长度下顶板围岩应力分布情况，从而确定合理的工作面长度。
3 工作面倾向应力分布状态
根据数值模拟可知，不同工作面长度下倾向围岩应力状态可知，风水沟煤矿工作面回采时，工作面倾向应力分布呈现“区域性”，表现在工作面采空区侧端头处应力集中程度最大，中部应力集中程度次之，实体煤侧端头处最小。当工作面长度逐渐延长时，工作面倾向方向不同区域应力集中程度不断增大，当工作面扩展至一定的范围后，应力集中程度逐渐趋于稳定。
当工作面倾向长度处于90m～150m之间时，随着倾向长度的扩展，工作面应力集中呈现缓慢增长的趋势；当工作面由150m增至180m的过程中，集中应力程度明显增大；当工作面长度由180m继续延长时，工作面不同区域集中应力逐渐趋于稳定。
4 工作面走向应力分布状态
为更清楚的了解工作面围岩应力随工作面长度的变化趋势，以下针对不同工作面长度下走向方向围岩应力进行了分析，随着工作面的逐步推进，在工作面前方形成支承压力降低区、支承压力增高区、原岩应力区。
总体来讲，随着工作面倾向长度的增加，超前支承压力峰值大小及影响范围不断增大，当工作面扩展至一定的长度后，超前支承压力的大小及影响范围趋于稳定。如上图可知，工作面倾向长度为90m时，超前支承压力位于工作面前方5.0m处，峰值为23.2MPa；工作面倾向长度为120m时，超前支承压力位置未发生变化，峰值增至24.6MPa；工作面倾向长度为150m时，超前支承压力仍位于工作面前方5.0m处，峰值为26.2MPa；当工作面倾向长度扩展至180m时，超前支承压力峰值转移至工作面前方10m处，峰值增至29.5MPa；工作面延长至200m时，支承压力峰值仍位于工作面前方10m处，峰值增至30.1MPa；当工作面继续延长至220m～240m时，其支承压力峰值的大小及位置逐渐趋于稳定，峰值位置位于工作面前方10m处，峰值大小为30.3MPa。
5 不同工作面长度下顶板破坏状态
分析不同工作面长度下顶板破坏状态可知，整体来讲，随着工作面长度的增加，上覆岩层破坏范围逐渐增大。当工作面长度为90m时，上覆顶板36m范围内顶板发生破坏，其中拉伸破坏高度即顶板冒落高度为16m；工作面为120m时，顶板破坏高度达到52m，顶板冒落高度仍为16m；工作面延长至150m时，上覆顶板破坏高度达到72m，冒落高度增至20m；当工作面扩展至180m时，模拟上覆顶板发生完全破坏，顶板冒落高度延伸至上方28m；工作面继续由180m延长至240m时，顶板冒落高度不再向上继续扩展，逐渐趋于稳定。
总结以上分析可知，风水沟工作面在原有支护状态下，当工作面倾向长度增至180m时，工作面集中应力、顶板破坏范围、煤柱应力集中程度均呈现明显增大的趋势。因此模拟分析认为，当前支护强度下，当工作面倾向长度超过180m时，应严格保证支架初撑力，及时观测支架工作阻力变化状态，建立完善的矿压预警系统，保证工作面的安全高效回采。
由于风水沟煤矿工作面利用原综采设备，因此受配套设备装备水平的制约，工作面长度应在一定的合理范围内。当工作面长度超过某一范围时，工作面设备可靠性降低，生产管理困难，工作面难以实现高产高效，因此将工作面长度确定为188m。
6 应用效果
风水沟煤矿工作面布置时，倾向长度188m，实际回采期间，支架工作阻力在4000kN以下的占3.49%，4000-5000kN之间的占17.63%，5000-6000kN之间的占41.66%，6000-7000kN之间的占37.15%，7000kN以上的仅占0.06%，支架工作阻力普遍集中在4000-7000kN之间，除局部区域支架处于高工作阻力状态外，绝对部分部分支架满足顶板支护要求。
7 结论
（1）风水沟煤矿松软煤层工作面回采时，工作面倾向应力分布呈现“区域性”，表现在工作面采空区侧端头处应力集中程度最大，中部应力集中程度次之，实体煤侧端头处最小。
（2）随着工作面倾向长度的增加，超前支承压力峰值大小及影响范围不断增大，当工作面扩展至一定的长度后，超前支承压力的大小及影响范围趋于稳定。
（3）在原有装备水平条件下，适当增大松软煤层工作面长度是可行的。
参考文献：
[1]吴有增.高瓦斯松软厚煤层大采高超长综放工作面高产高效技术研究[J].中国煤炭，2009，35（6）：51-54.
[2]刘清宝.红柳煤矿 6m 大采高工作面开采技术及设备选型研究[J].西安科技大学硕士学位论文，2012.
[3]辛培乐.寺河矿大采高工作面支架系统可靠性分析[J].科技情报开发与经济，2007，17（3）：289-290.
[4]曹胜根，缪协兴.超长综放工作面采场矿山压力控制[J].煤炭学报，2001，26（6）：621-625.
作者简介：
候敬民（1974.11～），男，内蒙古，汉族，硕士学位，内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司生产技术部副主任，一直从事煤矿的生产和技术管理工作。