松軟煤層大采高工作面頂板破斷規律研究

胡萬勝

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原030024；2.潞安集團余吾煤業公司，山西 長治046100）

大采高長壁開采是厚煤層開采的主要方法，在我國大同、邢臺、神東、晉城等礦區得到了廣泛的應用〔1〕，隨著工作面采高的增加，煤壁片幫、支架失穩等問題逐漸增加，對于松軟煤層大采高工作面表現尤為顯著〔2－5〕，研究發現，這些問題與工作面頂板結構與運移破斷規律密切相關〔5〕。因此，有必要掌握松軟煤層大采高工作面頂板破斷規律用于指導工作面開采。

1 工作面概況

圖1 3305工作面綜合柱狀

3305工作面位于礦井二采區東部，所采煤層為山西組3＃煤層，煤層質軟易碎；煤層厚度為3.2～5.4m，平均厚度為4.5m；煤層傾角為1°～7°，平均為6.5°；煤層以光亮煤為主，局部可見半暗煤，整體呈現線理狀和層狀結構，中間夾有0～0.7m的炭質泥巖；該煤層可采系數為1，變異系數為1.3，煤體容重為1.43t／m3，整體屬于穩定可采松軟厚煤層。3305設計走向長度和傾向長度分別為1976m和220m，沿傾向共布置 ZY12000－3.5／6.8液壓支架129臺。工作面煤層向上依次為炭質泥巖～砂質泥巖～煤層～炭質泥巖～粉砂巖等，底板以砂質泥巖為主，其中泥巖層較破碎，砂巖層節理裂隙發育（見圖1）。

2 數值模擬研究

2.1 模型的構建

模擬采用FLAC－3D進行，計算程序以拉格朗日算法為基礎。采用彈塑性材料建立摩爾～庫倫彈塑性本構模型，以摩爾～庫倫屈服準則來判斷巖體破壞。

考慮邊界效應，設計模型的傾向長度（y）、走向長度（x）和垂直高度（z）分別為417m、340m和112m，其中煤層依照工作面平均煤厚4.5m計算。構建的模型上方施加的垂直壓應力值為模型上方巖層重量，該值由模型上覆巖層均厚經計算確定為10.6MPa，模型左右側和底邊分別施以水平約束和垂直約束，3305工作面圍巖物理參數詳見表1。

表1 模型頂板各巖層物理力學參數

2.2 模擬結果及分析

圖2 隨工作面推進采空區上覆巖層破壞情況

3305工作面上覆巖層狀態變化模擬結果見圖2，由模 擬結果可知：隨著工作面的推進，頂板裂隙明顯增加，當推至距開切眼15～16m時直接頂由下到上冒落，冒落高度為8～9m，頂板裂隙約為17.4m；當工作面進一步推進，距離開切眼24～25m時，基本頂發生冒落，冒落高度為23～25m，頂板裂隙高度達到37.4m；隨著工作面的推進，基本頂分別在距開切眼33～34m、42～44m、52～53m、63～65m和75～76m范圍內出現周期性的冒落現象，周期冒

3 現場實測

在3305工作面的機頭、尾、上、中、下部布置觀測站，每個觀測站布置2條側線，側線分別對應5＃、6＃、31＃、32＃、60＃、61＃、90＃、91＃、124＃、125＃液壓支架，在測線對應的液壓支架上各安裝1臺尤洛卡，尤洛卡可以對液壓支架載荷進行實施記錄，所記錄數據可通過數據采集器進行落高度最大可達23.5m，頂板裂隙帶高度最大可達56m，隨著工作面繼續推進，頂板裂隙高度保持為56m左右。綜上分析可知：工作面初次來壓步距為24～25m，周期來壓步距為9～12m，平均周期來壓步距為11m左右；工作面冒落帶高度為23.5m，裂隙帶高度為56m，裂隙帶向上為彎曲下沉帶。采集。將尤洛卡數據導入計算機進行統計分析（見表2）。由表2可知，3305工作面初次來壓步距為24.86m，前五次周期來壓步距為10.72m、9.56m、11.74m、10.62m和11.66m，平均周期來壓步距為10.86m。分析工作面各部分來壓步距可知，機頭部來壓步距較大，機尾部較小，整個工作面呈現來壓不均勻現象。

表2 3305工作面頂板來壓特征分析

4 結語

綜上可知，數值模擬與現場實測所得結果一致性較好，所得3305松軟煤層大采高工作面頂板破斷規律為：工作面頂板初次垮落步距為25m左右，平均周期來壓為11 m左右；在工作面推進過程中，采空區上覆巖層裂隙由下而上逐漸發育，垮落帶高度約為23m，導水裂隙帶高度約為55m，再往上為彎曲下沉帶；整個工作面呈現來壓不均勻現象，機頭部來壓步距較大，機尾部較小，考慮到松軟煤層物理圍巖特性和工作面地質構造的復雜性，在使用數值模擬進行研究頂板破斷規律時應輔助現場實測。

〔1〕李洪彪 .趙莊礦松軟煤層大采高工作面礦壓規律及圍巖控制研究〔D〕.太原：太原理工大學，2012.

〔2〕何鵬飛，弓培林 .大采高采場覆巖整體結構及控制研究〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：36－38.

〔3〕孔德森，孟慶輝，張偉偉，等 .綜采工作面上覆巖層運動與破壞規律研究〔J〕.煤，2008，17（6）：5－8.

〔4〕宋振騏 .實用礦山壓力與控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，1988.

〔5〕尚 斌，關東旭，李曉輝，等 .三軟煤層礦山壓力控制方法淺談〔J〕.中州煤炭，2010，（10）：45.