不同采高對霍州礦區采場覆巖運移規律的影響研究

王長云 張 蓓 張華磊

（山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030006）

1 工程地質概況

霍州礦區辛置煤礦2#煤2-102工作面標高276～309m，平均埋深497m。工作面地表為農田耕地和溝壑，黃土覆蓋平均厚度120m，基巖平均厚度335m。工作面煤層平均厚度3.81m，傾角3～8°，工作面采用傾斜長壁法進行開采。

2 不同采高對采場頂板破斷規律的影響

當工作面回采長度超過頂板極限距時，頂板巖體初次垮落。由于頂板懸空，故不存在對頂板巖梁懸空段的反力，建立如圖1所示的力學模型圖。

圖1 大采高采場頂板初次破斷力學模型

在頂板未破斷之前，采場頂板可看成是彈性基礎梁上的彎曲，其地基反力為，p=ky根據梁的對稱性，取梁的一半長l進行力學分析，微分方程為：

式中：

q-分布載荷集度，即第一層硬巖（關鍵層）所控制的巖層對它的作用；

EI-基本頂的抗彎剛度；

k-Winkler地基彈性系數。

帶入有關邊界條件和連續條件可得：

式中：

設頂板巖梁內的剪力為Q，彎矩為M，則有：

在x=-l處，即梁的中部，其彎矩為Ma，則：

當y"'=0時，彎矩最大，其位置為xβ（煤壁前方），解得：

此處彎矩Mβ為：

考慮煤層對頂板的墊層作用后，頂板初次破斷極限步距可通過如下方法求得。

首先判別α，β大小，求得最大彎矩Mmax；再通過最大彎矩來判別巖梁是否破壞。

將α的表達式代入上式可得：

由上式解得l，則頂板的初次破斷距為：

若α＜β，則有：

將β的表達式代入上式得：

為了研究不同采高下老頂的破斷方式及破斷位置，應進一步確定頂板內最大拉應力及所在位置，從而需確定Mα、Mβ和xβ。對于Mα、Mβ大小的比較，可通過比較α與β的大小，若α大，則最大彎矩位于采空區中央截面，老頂在中央截面下部拉裂；否則，最大彎矩在煤層上方一段的老頂內（坐標為xβ），老頂發生超前斷裂。

為了說明采高對頂板最大彎矩及其位置的影響，現取2-106工作面圍巖參數進行分析，彈性模量E1=20.59MPa，厚度取為4m，煤層彈性模量為E0=2.6MPa，L=30m。

根據前面采高變化對老頂影響的分析，可判斷出2-106工作面覆巖中各巖層承載能力相當，沒有明顯的關鍵層。

由計算結果比較分析，Winkler無限梁用在采場初次來壓礦壓模型上，有如下結論，如表1所示。

表1 初始破斷距隨采高演化

由此可知：覆巖各巖層承載能力相當的情況下，隨著采高的增加，頂板初次來壓步距有減小的趨勢，但減小幅度較小，可見采高的改變對頂板初次來壓步距基本沒有影響，工作面來壓步距主要取決于巖層的賦存狀況。

3 不同采高對采場覆巖結構與運動規律的影響

3.1 數值計算模型的建立

為了模擬分析不同采高對采場上覆巖層變形破壞及運動規律的影響，采用UDEC2D計算程序，建立如圖2所示的數值計算力學模型。模型幾何尺寸為 ，模型底部邊界約束垂直方向運動，左右兩邊邊界約束水平方向運動，將上覆巖層以荷載形式均勻作用于模型的上部邊界，計算采用莫爾—庫侖屈服準則。

圖2 計算模型

建立不同采高采場數值計算模型來分析上覆巖層結構及運動規律，探求大采高采場的覆巖運動特點。工作面從左向右推進，依次推進5m，總共開挖13步，推進65m。比較分析采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時，采場上覆巖層的運動規律。在工作面上方，布置3條水平測線監測距離采空區垂直距離為 =4m，8m，14m位置處豎直位移分布情況，進而分析冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的分布。

3.2 采場覆巖運動與結構數值計算結果分析

（1）覆巖運移規律

隨著工作面的推進，當距離超過頂板巖層的極限破斷距時，采場頂板開始破斷下沉，以工作面推進50m時為例進行分析，采場覆巖的運移狀圖如圖3所示。

圖3 不同采高采場覆巖位移云圖

由圖3知，工作面推進50m時，老頂初次來壓已過，此時采高不同上覆巖層結構及運動表現出差別：采高為2m時，冒落帶高度為4m；采高3m時，冒落帶高度為6m；老頂破斷后與下方已冒落直接頂接觸，冒落帶不再向上發育，其上方有離層發育。采高大于4m后，老頂破斷后不能形成結構，其上軟巖層隨之向下運動，進入垮落帶，冒落帶高度增加。采高4m時，冒落帶高度為9m；采高5m時，冒落帶高度為13m；采高6m時，冒落帶高度為13m；采高7m時，冒落帶高度為16m。

（2）不同采高下覆巖運動與結構對比分析

冒落帶高度隨采高變化示意圖如圖4所示。

圖4 冒落帶高度隨采高變化示意圖

由圖4可知，采高增大后，冒落帶的高度也隨之增加，導致劃入直接頂范圍的巖層厚度增大，且冒落帶高度與采高呈現非線性關系，在拐點處的突變與上覆巖層的關鍵層控制作用有關。

由圖5可知，從整體上而言，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加，主要是由于采場采高增加之后，上覆巖層回轉的空間增加，運動的自由度增加，當巖層回轉角度增大時，作用于下方煤體的載荷也隨之增加，導致工作面礦壓顯現劇烈。

4 結論

本文以霍州辛置煤礦大采高工作面為工程背景，討論了采高對采場覆巖運移特征的影響，主要得出以下結論：

（1）覆巖各巖層承載能力相當的情況下，采高改變對頂板來壓步距基本沒有影響，工作面來壓步距主要取決于巖層的賦存狀況；

（2）隨著采高的增加，冒落高度增加，但并不呈線性關系，其拐點與關鍵層有關；裂隙帶高度、離層值也隨著采高的增加而增加，覆巖運動范圍和劇烈程度加大。

圖5 最大離層值隨采高變化示意圖