堅硬頂板大采高綜采工作面頂板預裂數值模擬研究

賈斌

【摘要】為研究堅硬頂板大采高條件下綜采工作面懸頂面積過大的問題，以山西凌志達煤礦15101工作面為研究對象，采用數值模擬的研究方法，通過模擬15101工作面在初采時切眼不同情況下采場圍巖的塑性破壞情況、垂直應力和煤壁側支撐壓力分布規律，得出切眼頂板預裂是有效可行的，為現場試驗提供了指導依據。

【關鍵詞】堅硬頂板；大采高；頂板預裂；數值模擬

Numerical Simulation of Roof Pre-splitting on Hard Roof Open-off Cuts Pre-splitting in Fully Mechanized Working Face

JIA Bin

（Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China）

【Abstract】In order to study the large roof overhang problems in great mining height mechanized mining face under hard roof conditions ,based on Shanxi Lingzhida mine 15101 face, used numerical simulation methods, simulated 15101 face cut in the early pre-cut mining under different plastic case stope rock damage circumstances, vertical stress and support law distribution in the coal wall side, obtained pre-cut in the roof fissure is feasible, provided guidance for the field trial basis.

【Key words】Hard roof;Large mining height; Open-off cuts pre-splitting; Numerical simulation

0前言

長壁工作面開采絕大多數采用全部垮落法處理頂板，頂板能夠隨著工作面推進而自行垮落是長壁工作面實現安全回采的首要條件[1-3]。堅硬頂板強度高，節理、裂隙不發育，整體性和自穩能力強等特點，當煤層頂板為堅硬難垮落頂板時，回采過程中容易形成大面積懸頂。當頂板大面積突然垮落時極易形成颶風和強沖擊載荷，容易造成人員傷亡和設備損壞，而且容易造成瓦斯瞬間涌出，誘發瓦斯重特大事故，當煤巖體有沖擊傾向性時，還容易誘發沖擊礦壓災害[4-6]。

1工程概況

15101工作面位于井田中部，東側為15#層集中回風大巷，南部、北部均為未開采煤田，西至莊頭斷層約600m，上部有3#煤層3301、3305、3307、3308工作面采空區。該工作面煤層最大厚度4.2m，最小厚度3.5m，平均煤厚3.85m；煤層傾角除700～900m處最大坡度達13°外其余平均1°～3°，煤層賦存穩定，結構簡單。

15號煤層位于太原組下部，上距K2石灰巖0-3.00m。煤層穩定全區可采。頂板為炭質泥巖或泥巖，底板為泥巖或炭質泥巖。

基本頂：K2灰巖，厚度為5.75~8.93m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑，方解石，致密堅硬；

直接頂：泥巖，厚度為0.6~2.0m：黑色、質地較密；

偽頂：炭質泥巖，厚度為0.05~0.2m，黑色，質地松軟，隨采隨落；

底板：泥巖及黃鐵礦泥巖，平均厚度12.88m，黑色,含黃鐵礦，有黃金色碎屑。

2數值模型的建立

本次數值模擬以凌志達礦井15101綜采工作面為研究背景，該工作面走向長2240m，傾斜長175m，煤層平均傾角1°，平均厚度4.2m，埋深290m。模擬工作面推進過程中采場圍巖應力場、位移場分布特征，并提取各單元的應力、應變值。

（1）煤巖體力學參數確定

模擬計算巖體理力學參數參見表１。

（2）模型的建立

為了掌握關于堅硬頂板的控制方案，將模擬堅硬頂板綜采工作面在開采過程中未進行切眼放頂和進行切眼放頂時，工作面在推進的過程中頂板塑性區的變化情況，建立了三維數值計算模型，如圖1所示，模型走向長360m，傾向寬250m，煤層傾角為1°。每個單元的長大致為3.6m，高為1.05m，模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動。

整個數值模擬過程分為以下幾個步驟：

①建立數值模型，給定邊界力學與位移條件，并完成初始應力平衡；

②采用一次采全高進行開采，并運算平衡；

③分析數值模擬結果。

表１主要煤巖層數值模擬力學參數

圖1三維數值計算網格模型

3數值模擬結果及分析

1）15101工作面切眼未放頂時初次來壓分析

凌志達煤礦15#煤層的頂板K2灰巖為堅硬頂板，為了研究未經放頂時隨工作面推進K2灰巖的破壞情況，取工作面推進50m為參考，對工作面推進至50m時進行模擬。

圖2中為K2石灰巖老頂在推進50m時頂板的塑性破壞情況，工作面推進到50米時，由于采空區的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，下層的石灰巖在切眼和工作面的位置的兩個頂角位置出現了約3m的破壞，頂板中央的破壞的區域也在增大，但破壞的整體范圍也很小，頂板K2灰巖不會整體垮落。說明未放頂時，堅硬頂板K2灰巖的初次來壓步距大于50m。

煤層頂板總的垮落高度，按最大破壞深度2.2m，但工作面的采高為4.2m，矸石無法完全填滿采空區。工作面長度為175m，此時頂板的懸空面積達8750m2，頂板一旦突然產生大面積垮落，將會對工作面設備和支架形成很大的沖擊，易造成支架的壓死或形成工作面的颶風，帶來生產事故。

圖2工作面推進至50m時未放頂時煤巖層破壞狀態

圖3未放頂時工作面推進至50m煤巖層垂直應力圖

圖3為未放頂時工作面距離50m時工作面附近垂直應力分布情況，工作面分別推進到50m時，工作面煤壁側的最大超前支撐壓力分別為26MPa，由此看出在初次垮落前，超前支撐壓力值將隨工作面推進的距離增加而增加。過大的支撐壓力會造成煤壁片幫，特別對兩順槽的超前支護帶來很大困難，從減小支撐壓力，保證煤壁及順槽的穩定性角度也應對頂板進行處理。

從以上的垂直應力圖中也可以看出，隨工作面的推進，煤層上的支承壓力處在動態變化之中。煤層開挖后，出現明顯的支承壓力集中區，而在采空區內底板上壓力則明顯降低。但隨著工作面的推進，超前支承壓力峰值逐漸增加，而采空區底板上的支承壓力也有逐漸增大的趨勢。

2）15101工作面切眼放頂時初次來壓分析

由現場觀測的切眼放頂后的礦壓數據和實驗室進行的煤層頂板K2放頂的相似模擬實驗分析，切眼的放頂可以使頂板的初次來壓步距減小，現根據15101工作面實際的情況建立模型，設計切眼為4m，切眼處放頂使切眼上方的K2全部貫穿垮落，圖4為工作面推進30m的煤巖層的破壞狀態。

圖4放頂時工作面推進至50m時煤巖層破壞狀態

由圖4可以看出，工作面推進到30m時，由于采空區的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，K2灰巖層受到更大的應力，此時巖層與工作面相較處的區域破壞的高度進一步增大，達到了6.8m，基本上貫穿了整個K2灰巖層，說明頂板的梁結構發生了破斷，工作面初次來壓，初次來壓的步距大致為30m左右，在考慮到切眼的距離，步距在34m左右；放頂后煤壁側的支撐壓力相對會比不放頂時大，由于放頂后頂板形成了懸臂梁結構，應力的增大使K2石灰巖垮落，及時充填了采空區，避免了工作面形成大面積的懸頂。

4結論

通過對15101工作面實際條件的現場模擬，當切眼未放頂時，工作面推進到50米巖層整體的破壞范圍很小，頂板K2灰巖不會整體垮落，此時不僅采空區的懸空面積達到8750m2，故應在切眼處進行放頂；放頂后初次來壓的步距大致為30m左右，此時巖層與工作面相較處的區域破壞的高度進一步增大，達到了6.8m，基本上貫穿了整個K2灰巖層，保證了安全生產工作。

【參考文獻】

［１］吳仁倫,許家林,秦偉.頂板預裂治理綜放面初采期瓦斯的數值模擬研究[J]. 采礦與安全工程學報,2011,28(2):320-323.

［２］郭浩森.特厚煤層綜放采場礦壓顯現特征及覆巖移動規律研究[D].河南理工大學,2012.

［３］伍永平,潘潔,解盤石,等.大傾角煤層堅硬頂板預裂弱化的數值分析[J].西安科技大學學報,2010,30(2):7-12.

［４］鄭文翔.綜放工作面頂板預裂技術研究[J].煤炭工程,2014,46(2): 55-57.

［５］郭浩森,李化敏,李東印,蔣東杰.重型綜放工作面快速回撤與末采期頂板控制技術[J].煤炭科學技術,2012,40(10):34-36,40.

［６］張廣云.堅硬巨厚頂板綜采工作面礦壓顯現規律研究[J].中國資源綜合利用, 2011,29(5):37-39.

［責任編輯：曹明明］