夏店煤礦綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬研究

李世慧

（潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司 夏店煤礦，山西 長治046299）

1 工作面概況

潞安集團夏店煤礦3111綜采工作面位于31采區(qū)，工作面東面與西面分別為3109工作面與3105工作面采空區(qū)，南面和北面分別為采區(qū)大巷保安煤柱何叢城保安煤柱。工作面開采山西組中下部3＃煤層，煤層穩(wěn)定，含一層夾矸，平均厚度為5.93m，工作面直接頂為1～3m厚的泥巖，致密性強，含植物化石及煤屑，上部含砂巖；老頂為5～15m的淺灰色細砂巖，灰色中細粒含長石石英雜砂巖夾薄煤層砂質(zhì)泥巖，具板狀交錯層理，底板為6.8～9.01m細砂巖。

2 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬以夏店煤礦3111綜采工作面為研究背景，該工作面走向長1170m，傾斜長225m，煤層平均傾角8°，平均厚度5.93m，埋深380m，模擬工作面推進過程中采場圍巖應(yīng)力場、位移場分布特征，并提取各單元的應(yīng)力、應(yīng)變值。

為了掌握關(guān)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(qū)的變化情況，建立了三維數(shù)值計算模型（見圖1），模型走向長360m，傾向?qū)?50 m，煤層傾角為8°，每個單元的長大致為3.6m，高為1.05 m，模型側(cè)面限制水平移動，模型底面限制垂直移動。

整個數(shù)值模擬過程分為以下幾個步驟：① 建立數(shù)值模型，給定邊界力學(xué)與位移條件，并完成初始應(yīng)力平衡；② 采用一次采全高進行開采，并運算平衡；③分析數(shù)值模擬結(jié)果。

圖1 三維數(shù)值計算網(wǎng)格模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 3111工作面切眼未放頂時初次來壓分析

3＃煤層的頂板細砂巖為堅硬頂板，為了研究未經(jīng)放頂時隨工作面推進細砂巖的破壞情況，取工作面推進50m為參考，分別為20m、30m、40m、50m時進行模擬（見圖2、圖3）。

圖2中a、b、c、d為細砂巖老頂在不同推進距離時頂板的塑性破壞情況。工作面推進20m時，由于煤層挖空，工作面上方的直接頂約1.2m范圍內(nèi)部分出現(xiàn)剪切破壞，上方的細砂巖基本沒有什么變化；工作面推進到30m時，細砂巖下方的直接頂基本上都被破壞，而細砂巖層基本沒有破壞；工作面推進到40m時，由于采空區(qū)的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，細砂巖層受到的應(yīng)力增大，此時巖層的下層位在采空區(qū)中部附近約1.2m左右出現(xiàn)了拉伸剪切破壞，但未貫穿10m厚的砂巖層，頂板沒有大面積的破壞；工作面推進到50m時，細砂巖的破壞在增大，下層的細砂巖在切眼和工作面的位置的2個頂角位置出現(xiàn)了約3m的破壞，頂板中央的破壞的區(qū)域也在增大，但破壞的整體范圍也很小，頂板細砂巖不會整體垮落，說明未放頂時，細砂巖的初次來壓步距大于50m。

圖2 未放頂時煤巖層破壞狀態(tài)

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5.93m，矸石無法完全填滿采空區(qū)。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(chǎn)生大面積垮落，將會對工作面設(shè)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(fēng)，帶來生產(chǎn)事故。

圖3 未放頂時煤巖層垂直應(yīng)力

圖3 中a、b、c、d為未放頂時工作面不同距離時工作面附近垂直應(yīng)力分布情況，工作面分別推進到20m、30m、40 m、50m時，工作面煤壁側(cè)的最大超前支撐壓力分別為18 MPa、20MPa、22MPa、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(wěn)定性角度也應(yīng)對頂板進行處理。

從以上的垂直應(yīng)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(tài)變化之中。煤層開挖后，出現(xiàn)明顯的支承壓力集中區(qū)，而在采空區(qū)內(nèi)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(qū)底板上的支承壓力也有逐漸增大的趨勢。

3.2 3111工作面切眼放頂時初次來壓分析

由現(xiàn)場觀測的切眼放頂后的礦壓數(shù)據(jù)分析，切眼的放頂可以使頂板的初次來壓步距減小，現(xiàn)根據(jù)3111工作面實際的情況建立模型，設(shè)計切眼為4m，切眼處放頂使切眼上方的細砂巖全部貫穿垮落，圖4、圖5分別為工作面推進20m、25m、30m的煤巖層的破壞狀態(tài)。

圖4 放頂時煤巖層破壞狀態(tài)

圖4 中a、b、c為經(jīng)過切眼放頂后不同推進距離時工作面頂?shù)装宓乃苄云茐那闆r。工作面推進20m時，由于煤層挖空，工作面上方的直接頂約1.2m范圍內(nèi)基本都出現(xiàn)剪切破壞，即隨工作面的開采冒落，下層的細砂巖與工作面相交的頂角位置出現(xiàn)了約2.5m的剪切破壞；工作面推進到25m時，細砂巖與工作面相交的頂角位置出現(xiàn)了剪切破壞不斷擴大達到了4.8m左右，破壞進一步增大；工作面推進到30m時，由于采空區(qū)的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，細砂巖層受到更大的應(yīng)力，此時巖層與工作面相較處的區(qū)域破壞的高度進一步增大，達到了6.8m，基本上貫穿了整個細砂巖層，說明頂板的梁結(jié)構(gòu)發(fā)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。

圖5 放頂時煤巖層破壞狀態(tài)

由圖5中a、b、c煤巖層垂直應(yīng)力圖可知，經(jīng)過放頂后工作面煤壁側(cè)的超前支撐壓力相較于不進行放頂時，相對減小，當(dāng)工作面推進到30m時，煤壁側(cè)的超前支撐壓力為22MPa，此時，頂板細砂巖將會垮落，工作面進入周期來壓，煤壁側(cè)的支撐壓力變化將會形成周期性的增加和減小，不會一直使煤壁側(cè)的支撐壓力增大。對比未放頂時，20m和30m的應(yīng)力圖可以發(fā)現(xiàn)，放頂后煤壁側(cè)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(jié)構(gòu)，應(yīng)力的增大使細砂巖垮落，及時充填采空區(qū)，避免工作面形成大面積的懸頂。

4 結(jié)語

1）通過對3111工作面實際條件的現(xiàn)場模擬，當(dāng)切眼未放頂，工作面推進到50m時，巖層整體的破壞范圍也很小，頂板不會整體垮落。

2）切眼進行放頂，工作面推進到30m時，細砂巖與工作面相交處的區(qū)域破壞的基本上貫穿了整個細砂巖層，工作面初次來壓的步距大致為30m左右。

3）通過對3111綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行數(shù)值模擬研究，為工作面回采期間加強頂板管理提供依據(jù)，對工作面的安全回采具有一定的意義。