綜放工作面頂板運移及垮落數值模擬研究

柳 軼(山西焦煤集團 投資公司，山西 太原 030021)

礦山壓力控制是厚煤層綜放開采安全高效開采的重要前提。上覆巖層結構運動變化是影響采場礦壓顯現的主要原因[1]. 目前，針對頂板覆巖結構變化規律，國外主要有懸臂梁假說、壓力拱假說、鉸接巖塊假說，國內則有傳遞巖梁理論、砌體梁理論、關鍵層理論以及薄板理論等，這些理論對上覆巖層結構變化特征以及采場礦壓規律進行了充分的研究，對掌握回采過程中工作面頂板覆巖結構變化特征和礦壓顯現規律具有重要的意義[2-3].

趙莊礦二號井1304工作面采用綜放開采技術，其相鄰的1305工作面采用綜采技術。對于普通綜采和大采高綜放開采，頂板巖層變化運動特征不同，礦壓顯現特征也不相同。所以，正確掌握不同類型工作面礦壓顯現規律，對保障安全生產具有重要的意義。

1 工程概況

1304工作面煤層平均厚度為5.36 m，平均傾角約為6°，采用走向長壁采煤法，開采煤層為3#煤層，其中機采采高2.8 m，放頂煤厚度為2.56 m. 工作面長度145.8 m，自開切眼到停采線長度為538.6 m.

2 頂底板情況

1304工作面無偽頂，直接頂為泥巖和細粒砂巖，平均厚度1.8 m，節理裂隙不發育，普氏硬度f=3～4，自然狀態下單向抗壓強度為46.2～65.4 MPa；基本頂主要為粉砂巖，平均厚度1.6 m. 工作面的直接底主要為泥巖，平均厚度0.6 m. 基本底主要為粉砂巖，平均厚度為2.0 m，呈中厚層狀，層理均勻。

3 數值計算

3.1 數值計算軟件

本文采用UDEC數值模擬軟件，該軟件是以離散元為基礎的二維計算程序，主要應用于非連續單元體在靜載或動載條件下的計算，通過模型中塊體組合變化形態展示變化過程[4-5]. 根據1304工作面的實際地質條件，建立放頂煤工作面回采模型，模擬該工作面在回采過程中，上覆巖層運動和變化規律。通過數值模擬結果，直觀了解上覆圍巖變化特征，并與1305綜采工作面進行對比，進一步掌握綜放工作面頂板及上覆巖層的垮落特征。

在數值模擬研究過程中，當工作面老頂發生初次來壓和周期來壓時，上覆巖層運移和垮落特征較為明顯。所以，本文對3#煤層開挖，模擬工作面推進到48 m(老頂初次來壓)，68 m(第一次周期來壓)，88 m(第二次周期來壓)進行計算，并與1305工作面回采過程中頂板運移變化情況進行對照比較。

3.2 數值模型建立

采用UDEC離散元軟件，根據1304工作面地質情況建立二維計算模型，模型長為300 m，高為69.3 m. 由于煤層傾角較小，不考慮煤層傾角對模型的影響。按照表1實驗得到煤巖物理性質參數對模型各層進行賦值。

對于模型邊界的處理，固定模型的左右邊界，限制在水平方向位移為零；固定模型的上下邊界，限制在垂直方向位移為零。由于模型未建立到地表，根據海姆假說及模型的埋深，在模型上部邊界施加均布載荷，模擬上部巖層自重應力。為了提高計算精度，對3#煤層網格進行細分。主要煤巖層數值模擬力學參數表見表1. UDEC建立的開挖計算模型見圖1.

表1 主要煤巖層數值模擬力學參數表

圖1 UDEC建立的開挖計算模型圖

3.3 數值模擬結果

使用放頂煤方法開采煤層時，由于頂煤起到了采場直接頂的作用，對上覆巖層起到了一定的支承作用，相比于綜采工作面，放頂煤上覆巖層運移表現出其特有的特征。1304、1305綜放工作面老頂初次垮落模型圖分別見圖2,3.

圖2 1304綜放工作面老頂初次垮落模型圖

圖3 1305綜采工作面老頂初次垮落模型圖

根據圖2所示，當1304工作面推進至48 m時，發生老頂初次來壓，在工作面后方，上覆巖層冒落，矸石充滿采空區，老頂巖層形成了“砌體梁”的平衡結構。對比圖2和圖3分析可知：1) 老頂初次來壓時，1304綜放工作面的老頂斷裂線位于煤壁后方，而1305綜采工作面老頂斷裂線位于煤壁前方位置。2) 1305綜采工作面老頂“砌體梁”結構巖層結構特征比1304綜放工作面的明顯，在綜采工作面上方并未形成類似的“橋拱”平衡結構。1304、1305綜放工作面老頂第一次周期垮落模型圖分別見圖4,5.

圖4 1304綜放工作面老頂第一次周期垮落模型圖

圖5 1305綜采工作面老頂第一次周期垮落模型圖

根據圖4，當工作面推進到68 m時，即工作面老頂第一次周期來壓，采空區冒落的矸石在上覆巖層的作用下被完全壓實，隨著工作面的推進，老頂巖層進一步發生斷裂。對比圖4和圖5可知：1) 老頂第一次周期來壓時，1304綜放工作面的老頂斷裂線位于煤壁后方，而1305綜采工作面老頂斷裂線位于煤壁前方位置。2) 1304綜放工作面上覆巖層的垮落強度特征沒有1305綜采工作面明顯；1304綜放面垮落的上覆巖層在工作面控頂區位置處形成了一個小型的“橋拱”平衡結構，而在1305綜采工作面上方巖層，沒有形成類似的結構。1304、1305綜放工作面老頂第二次周期垮落模型圖見圖6,7.

圖6 1304綜放工作面老頂第二次周期垮落模型圖

圖7 1305綜采工作面老頂第二次周期垮落模型圖

由圖6和圖7分析可知， 當工作面推進到88 m位置時，即老頂發生第二次周期來壓，1304綜放工作面和1305綜采工作面的老頂垮落特征區別仍然主要表現在老頂斷裂線位置以及上覆巖層的垮落強度和特征形成的“橋拱”結構兩個方面，其基本結構變化與第一次周期來壓變化基本相同。

模擬結果顯示，1304和1305工作面開采方式不同，其上覆巖層運移變化規律情況不同，在綜放工作面上方，由于頂煤的作用，直接頂巖層變厚，為上覆巖層的垮落提供了支承和傳遞的作用，造成綜放工作面礦壓顯現緩和，變化特征不明顯。

4 結 論

本文根據趙莊礦二號井1304和1305工作面的實際地質條件建立數值模型。利用UDEC離散元軟件對1304綜放工作面及相鄰1305綜采工作面進行了數值模擬研究，根據其回采方式不同，模型中煤層開挖方式不同，對比了上覆巖層的垮落運移特征，得到以下研究結果：

1) 1304綜放工作面老頂斷裂線出現在工作面煤壁的后方，而1305綜采工作面老頂的斷裂線位置出現在工作面煤壁前方位置；1304綜放工作面上覆巖層的斷裂垮落強度沒有1305綜采工作面劇烈，說明綜放工作面老頂來壓強度較綜采工作面小。

2) 在綜放工作面的開采過程中，工作面上方頂煤起到了直接頂的作用，為上位巖層的垮落提供了支承和傳遞作用，垮落的上覆巖層在工作面控頂區位置處形成了一個小型的“橋拱”平衡結構，減緩了礦山壓力顯現。

[1] 吳 健，閏少宏.確定綜放面支架工作阻力的基本概念[J].采礦與安全工程學報，1995(Z1)：67-71.

[2] 陸明心，郝海金，吳 健.綜放開采上位巖層的平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響[J].煤炭學報，2002，27(6)：591-595.

[3] 王家臣，吳 健，李 報，等.特厚軟煤層綜放開采礦壓觀測與分析[J].煤炭科學技術，1997(9)：2-5.

[4] 司榮軍，王春秋，譚云亮.采場支承壓力分布規律的數值模擬研究[J].巖土力學，2007，28(2)：351-353.

[5] 劉吉波，廉旭剛，戴華陽，等.基于UDEC的巖層與地表移動動態模擬研究[J].煤礦開采，2014，19(3)：104-107.