大采高采場上覆巖層運動規律的研究

周獻惠

（山西煤炭運銷集團保安煤業有限公司 ，山西 陽泉 045100）

0 引 言

厚煤層開采技術對整個煤炭行業開采水平具有決定性作用，一次采全高綜采作為厚煤層實現高效高產的主要方法，具有明顯優勢。綜采大采高由于采用的先進技術較多，能夠有效提高企業的經濟效益，實現礦井的高產高效目標，從而促進煤炭工業的快速發展。由于大采高綜采采煤方式不僅采煤質量好，能夠滿足高效高產的需要，而且經濟效益好，因此已經成為厚煤層開采的主要工藝手段。但是，在實際開采過程中仍然存一些問題制約了綜采大采高的發展，例如，圍巖理論的不完善、設備的可靠性等。研究表明，在許多影響因素中，頂板事故占到所有事故的13.73%～53.69%，可見，頂板失穩是制約大采高發展的重要因素之一[1-5]。

本文對大采高采場工作面上覆巖層結構進行研究，通過對大采高工作面頂板冒落情況的分析，從而為大采高綜采面圍巖控制提供依據。

1 大采高采場上覆巖層結構

1.1 冒落帶高度的確定

隨著工作面的不斷開采，直接頂首先發生冒落，并且隨著推進距離的增加暴露面積逐漸增大，其原有平衡遭到破壞后基本頂開始發生斷裂和失穩。圖1所示為開采過程中基本頂初次斷裂后巖層的受力模型圖。其中Q為頂層巖塊質量，A、B為三角拱的兩個角點，C為頂點，RA、RB為兩側摩擦力的大小，T為巖層所受的水平擠壓力，要使得模型中的三鉸拱受力平衡，則C點應該在A、B兩個角點的連線之[6]，即

式中：h為斷裂巖層的分層厚度，單位m；a為兩側巖塊拱式鉸點擠壓處接觸面高度，單位m。

圖1 基本頂巖塊受力模型圖

要使得模型中的三鉸拱受力平衡，則C點應該在A、B兩個角點的連線之[6]，即：

式中：h為斷裂巖層的分層厚度，單位m；a為兩側巖塊拱式鉸點擠壓處接觸面高度，單位m；

根據文獻[7]：

式中：α為老頂巖塊的回轉角，單位°。

將（2）、（3）式代入（1）式可知：

而smax=Δ，Δ—為頂板巖層與其下的自由空間高度，得出：

式（5）說明三鉸拱平衡的必要條件是頂板分層厚度要大于其下自由空間的1.5倍，因此可知[6]：

式中：hi為第i層巖層的厚度；M為工作面采高，單位m；∑h為已冒落巖層高度，單位m；kp為膨脹系數，本文取值1.3。

根據現場實測情況，工作面主要物理參數見表，綜合分析現場實際情況，可知工作面C2-C7層為冒落層，計算得冒落高度為21.6m。

表1 工作面主要物理參數表

2 上覆巖層關鍵層層位的判別

2.1 上覆巖層關鍵層層位的判別方法

在工作面開采過程中，關鍵層不僅對上覆巖層起到支撐作用，另外對巖層的運動具有重要影響，因此，可以通過對關鍵層的層位判別來預測開采面礦壓規律的變化情況。根據工作面綜合柱狀圖，通過公式（7）分別計算上層巖層對下層巖層的載荷情況：

確定某一層為關鍵層的必要條件是：

因此，確定第n層巖層是否為關鍵層的判定依據為：第n-1層巖層對第m層的載荷是否大于第n層巖層對m層巖層的載荷，如果大于則表明第n層為堅硬層，但是該堅硬層是否為關鍵層，還需要通過對比各堅硬巖層的斷裂步距來確定。

2.2 斷裂步距的計算

堅硬巖層發生周期性失穩時失穩步距的計算公式如下所示：

式中：Li為周期性失穩時第i層堅硬層的失穩步距，單位m；Rt為第i層堅硬巖體的抗拉強度，單位MPa；q為第i層堅硬巖體所受載荷，單位kN；

n、m為兩層堅硬巖層，在n＞m的情況下：

若 Ln＞Lm＞L1，則第 n 層為主關鍵層；

若 Ln＞Lm＞L1，則第 n 層不是主關鍵層。

2.3 堅硬層層位的判別

結合表1中給出的工作面主要物理參數，應運上述計算公式，從裂隙帶最下位巖層開始計算，可以得出：

得出C8巖層所受載荷為152kN，上覆1.62m的泥巖載荷層；

得出C10巖層所受載荷為173kN，上覆3.6m的泥巖和3m細砂巖載荷層；

得出C13上面覆有2.6m的泥巖和3.1m的中砂巖載荷層，該層巖層所受的載荷為315kN；

通過上述的計算分析，可以得出該工作面上方存在C8、C10、C13三層堅硬巖層。

2.4 堅硬層斷裂步距的計算

根據現場實際情況，由于切頂線的存在增加了頂板裂隙的發育，本文計算斷裂步距時將上覆堅硬巖層視為簡支梁考慮，根據文獻[8]計算各堅硬層斷裂步距如下：

通過上述計算，可以得出C10的破斷距最小為27.44m，C8層將承受所有破斷后的載荷，這樣C8與C10的斷裂步距同為27.44m；由于C13與C10向比較，C13的破斷距離遠大于C10，可以得出主關鍵層為C13，亞關鍵層為C8。

3 支護效果數值模擬

本文通過采用三維離散單元法軟件3DEC建立應變模型，在綜合考慮模型邊界效應的影響以及工作面各圍巖特性的基礎上，設置模型大小為長200m×寬2m×高124m，取重力加速度g=9.81m/s2，上覆巖層施加600m深度的覆巖載荷，模型的應力邊界為上邊界，其余邊界為位移邊界，正方向固定。通過前期試驗，本次模型中煤層塊度設為1m×2m×1m，直接頂塊度為2m×2m×2m。計算過程中，為了使得計算結果接近實際工作面頂板運動及冒落情況，采煤平均每日進度設置為5m。圖2所示為3DEC平面應變模型以及模型的邊界條件示意圖。

圖2 FLAC3D計算模型圖

3.1 上覆巖層冒落情況模擬

工作面在開采過程中上覆巖層比較容易發生變形、破壞、冒落等現象。受煤層地質情況、開采條件以及巖性等因素的影響，上覆巖層發生冒落的幾率也不同。一般在煤層厚度較薄、巖層較軟、距離煤層較近的巖層往往更容易發生冒落。以液壓支架和煤壁為支承點，上覆巖層最終發生變形、失穩和破壞，而冒落后的巖層一般都堆積在采空區。

在工作面推進不同距離后，冒落高度發生明顯變化。分析其變化情況可以得出，隨著工作面推進距離的增大，冒落高度呈現上升趨勢。其中工作面推進至15m時，冒落高度約為4m；但當工作面推進至20m和25m時，冒落高度分別增加到8.1m和12.8m。

圖3 工作面推進30m時頂板冒落情況

圖4 工作面推進50m時頂板冒落情況

隨著工作面的不斷推進，直接頂繼續發生冒落現象，由于直接頂上方厚巖層間存在相互間的擠壓力，此時擠壓力逐漸減小，當擠壓力減小到一定值后，厚巖層發生失穩現象，造成工作面基本頂來壓。當工作面推進到50m時，由于失穩現象比較嚴重，此時發生第一次周期來壓，直接頂厚巖層斷裂，最終導致關鍵層斷裂，沖擊載荷作用于工作面支架上。當工作面推進至60m時，關鍵層斷裂，如圖4所示。從圖可以看出，下部巖層產生了超前距離約為5m的超前斷裂。

圖5所示為工作面推進至80m處時頂板冒落情況，從圖可以看出上覆巖層曲線呈現“平底”狀曲線。分析其產生原因主要是由于上覆巖層逐漸冒落、變形和離層，使得工作面支架承受的壓力大幅度增加。

圖5 工作面推進80m時頂板冒落情況

4 結 語

本文應用“關鍵層”理論，針對工作面覆巖層結構進行了計算分析。分析結果表明該工作面冒落層為C2-C7層，冒落層高度為21.6m；另外工作面覆巖層主關鍵層和亞關鍵層分別為C13、C8層。應用三維離散單元法軟件3DEC建立應變模型對不同采高情況下覆巖層運動規律進行了研究，研究結果表明，工作面初次來壓步距為29.2m，周期來壓步距為22.6m，與現場實測結果接近，并且隨著工作面采高的增加，覆巖層的冒落空間和頂板離層量隨著增加，碎脹系數增大，頂板斷裂線發生明顯前移。上述分析結果為大采高綜采面圍巖控制提供了依據。