傾斜薄煤層機采工作面頂板壓力的確定

王仲國

(朔州市山陰縣安監局煤炭技術服務中心，山西朔州036000)

傾斜薄煤層機采工作面頂板壓力的確定

王仲國

(朔州市山陰縣安監局煤炭技術服務中心，山西朔州036000)

針對傾斜薄煤層開采面臨的難題，以某礦開采工作面為背景，運用RFPA2D(Rock Fracture Analysis)軟件，分析了工作面沿走向、傾向的覆巖活動規律及工作面上覆巖層位移情況，得出了傾斜薄煤層開采覆巖活動規律和覆巖應力、位移演化規律。通過數值模擬結果獲得工作面控頂設計中頂板壓力的確定方法，為工作面的控頂設計提供了依據。

傾斜薄煤層;覆巖活動規律;頂板壓力;控頂設計

薄煤層開采面臨的問題有:煤層賦存條件復雜，地質條件多變，機械化程度較低，產量較小，生產效率低下。如何在薄煤層條件下，采用先進的技術提高工作效率，一直是現階段亟待解決的技術難題。薄煤層開采高度小，決定了其工作面支護難度大，勞動強度高。尤其是對于傾斜、急傾斜薄煤層而言，對工作面的支護有更高的要求。而對采場覆巖活動規律的研究是確定合理支護參數的前提［1］．本文以某礦傾斜薄煤層為背景，采用數值模擬的方法對工作面覆巖“三帶”的發育特征、裂隙帶基本頂的穩定性以及工作面頂板壓力的確定進行了研究，為傾斜薄煤層工作面控頂設計提供了可靠的依據。

1 工作面條件

某礦工作面開采煤層賦存較穩定，煤厚一般在0.8～1.2 m，平均厚度為1.0 m，屬薄煤層。傾角在26°～32°，平均30°．直接底為3.5 m灰色、致密較硬粉砂巖;直接頂為6.9 m中細砂巖;基本頂為8.65 m灰－灰白色、無層理，泥質膠結粉砂巖。該煤層采用走向長壁工作面布置方式，工作面長度140 m．各煤巖層的具體力學參數見表1．

2 模型的建立

以開采工作面上下各煤巖層參數為模板，采用多分層頂板模型，建立了工作面沿走向和傾向模型。假定開采工作面周圍煤巖層力學特性均為韋伯分布，破壞準則選用修正的莫爾－庫侖準則，各煤巖層的特性參數見表1.走向模型的寬高之比為2∶1，其模擬的尺寸大小為100 m×50 m，被分為200×200個小單元，模型上邊緣施加均布載荷，加載力的大小為11.8 MPa，模擬工作面每次開挖步距均為4 m，分10步開挖。傾向模型的高寬之比為1∶1，其尺寸為200 m× 200 m，共劃分為200×200個單元，采用載荷加載的方式模擬上部荷載，加載量為10 MPa，工作面長度為140 m．沿走向分析模型和沿傾向分析的模型見圖1.

表1 巖塊力學參數表

圖1 數值計算模型圖

3 模擬結果分析

3.1 工作面沿走向覆巖活動規律

通過模擬可以得出，工作面上部直接頂的初次垮落步距為20 m，工作面上部基本頂的初次來壓步距為36 m．掌握工作面充分采動后采場上部巖層的活動范圍及規律，可為工作面采場支護的合理性提供理論依據。工作面回采后其上部巖層在采動后的變形及破壞情形見圖2．

圖2 采場上覆巖層充分采動后的破壞情形圖

從圖2可以看出，當回采工作面推進達到一定距離后，上覆巖層實現充分活動，直接頂巖層會垮落并直接作用在采場支柱上。其厚度大約為5～6 m，同時，由于直接頂巖層節理裂隙的存在，其最大垮落分層的厚度大約為1.52m．一般來說，垮落帶位于煤層頂板約為3～5倍采厚位置處，而模擬結果與現場實際相吻合［2］．

3.2 工作面沿傾向覆巖活動規律

通過模擬得到了工作面沿傾向直接頂與基本頂的破壞情況，見圖3，圖3中的灰度值表示巖石的受力狀態，灰度值小的區域為巖石受剪應力集中區域，灰度值大的區域為巖石受拉應力集中區域。

圖3 工作面沿傾向頂板垮落狀況圖

由圖3可以看出，由于煤層采高較小，傾角不大，直接頂垮落后基本能充填滿采空空間，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤層傾角的存在，導致從采空區中部偏上開始，裂隙帶的范圍從工作面上部到下部出現不對稱性，形狀呈不對稱拱形，頂板上部巖層將以彎曲拱的形式向下移動。

同時，為了更加詳細地了解工作面的冒落帶、裂隙帶的分布范圍，以便工作面控頂設計時取值的合理有效［3］，對工作面中上部上覆巖層40 m范圍內布置測線，測量其位移量，綜合分析得工作面上覆巖層位移情況見圖4.

圖4 工作面上覆巖層位移情況圖

由圖4可以看出，煤層傾角為30°時，工作面上部巖層垮落帶位于距煤層頂板6m位置，裂隙帶位于距煤層頂板14 m位置處。裂隙帶以上為彎曲下沉帶，彎曲下沉帶對工作面控頂設計影響較小，這為工作面的控頂設計提供了依據。

4 工作面頂板壓力的確定

以往工作面頂板壓力的計算，可用以下經驗估算法得出，即頂板壓力大小約等于4～8倍采高巖石的重量［4］．但對于傾斜薄煤層賦存情況而言，由于其特殊的地質條件，以上經驗公式用于計算基本頂壓力顯然不合理。因此，由上節模擬結果得，彎曲下沉帶位于距煤層頂板14 m以上位置處，而彎曲下沉帶對工作面控頂設計影響較小，工作面設計的控頂位置應該位于彎曲下沉帶下方，即控制0.4 m粉砂巖、6.9 m中砂巖、6.5 m砂巖，共計13.8 m厚的巖層。

其頂板壓力為:

式中:

γi—各巖層的容重，kN/m3;

hi—各巖層的厚度，m．

將現場數據代入上式計算得出的頂板壓力為: 321.1 kPa．

在進行工作面控頂設計時，需首先考慮施加在支柱上部的頂板壓力，再按照相關規定及現場實際要求選取或者計算得出工作面支柱的初撐力，進一步計算得出工作面支柱的實際密度［5］．因此，頂板壓力的確定為工作面的合理控頂設計提供了基礎。

5 結論

1)工作面上部直接頂的初次垮落步距為20 m，工作面上部基本頂的初次來壓步距為36 m．當回采工作面推進達到一定距離后，上覆巖層實現充分活動，直接頂巖層會垮落并直接作用在采場支柱上，其厚度大約為5～6 m．

2)工作面煤層采高較小，直接頂垮落后基本能充填滿采空空間，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤層傾角的存在，導致工作面中、上部的頂板巖層拉應力較集中，運動較為激烈，下部較緩和。因此，工作面控頂設計時應按工作面上部巖層的賦存條件進行考慮。

3)由于工作面傾角較大，頂板壓力的計算不能以經驗公式(即相當于采高4～8倍巖柱的重量)來計算。由模擬結果得出:工作面控頂設計的控制范圍為位于直接頂的0.4 m粉砂巖、6.9 m中砂巖、6.5 m砂巖下分層，共計13.8 m厚的巖層，得頂板壓力為321.1 kPa．

［1］錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2003:24－25.

［2］趙玉林，姜恒本，耿彥春．大傾角薄煤層工作面走向長壁回采工藝［J］．煤炭技術，2002(7):31－32.

［3］LIT，CAIM F，CAIM．A review ofmining－induced seismicity in China［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44 (8):1149－1171.

［4］余國峰，薛俊華，袁瑞甫．遠距離保護層開采卸壓機理數值模擬分析［J］．煤礦安全，2007(11):5－8.

［5］劉林．下保護層合理保護范圍及在瓦斯卸壓抽采中的應用［D］．中國礦業大學博士論文，2010(4)．

Determ ination of Roof Pressure in Inclined Thin Seam M echanized M ining Face

W ANG Zhongguo

Aiming at the problem of inclined thin seam mining，a coalmine working face is as the background， utilizes RFPA2D(Rock Fracture Analysis)software，analyzes the overlying strata activity rule and displacement sutiation．Obtains the overlying strata activity rule，overlying strata stress and displacement evolution rules in inclined thin seam．Through the numerical simulation results obtains the determinationmethod of roof pressure in work surface roof control design，it provides the evidence for roof control design of working face．

Inclined Thin Seam;Overlying strata activity rule;Roof pressure;Roof control design

TD323

B

1672－0652(2015)09－0048－03

2015－08－12

王仲國(1972—)，男，山西朔州人，2014年畢業于東北大學，工程師，主要從事煤礦技術管理工作(E－mail)502975065@qq．com