堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

頊建新

（同煤集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037003）

堅硬頂板因較高的強度，使得其在工作面掘進(jìn)后不易斷裂垮落，在采空區(qū)形成較長的空頂距離，易造成煤壁片幫嚴(yán)重及支架壓力增大失穩(wěn)等威脅。因此，研究堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對于礦井的安全生產(chǎn)具有積極的作用[1-2]。

雖然目前一些學(xué)者對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律做了相應(yīng)的研究[3-5]，并得出一些有益的結(jié)論，但由于影響機理的復(fù)雜性，仍存在諸多問題。本文以四臺礦81220工作面地質(zhì)和采掘條件為背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，研究結(jié)果具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 工程概況

四臺礦隸屬于同煤集團(tuán)，井田位于大同煤田西北部，核定生產(chǎn)能力500萬t/a。81220工作面傾斜長2100m，寬180m，平均埋深245m，主要開采14#煤層，煤層厚度1.6～2.0m，平均厚度1.8m，平均傾角4°，采用走向長壁一次性采全高的采煤方法。工作面直接頂為平均厚度4.0m的中砂巖，老頂為平均厚度15m的細(xì)砂巖，直接底為平均厚度2.9m的泥巖。工作面采用采煤機斜切進(jìn)刀→割煤→裝煤→移架→推溜的作業(yè)方式，選用ZZ8000/18.5/38型液壓支架支護(hù)，雙滾筒采煤機破煤、裝煤，由刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、皮帶輸送機運煤作為運輸系統(tǒng)。

2 堅硬頂板綜采面覆巖應(yīng)力分布模擬分析

2.1 模型的建立

依據(jù)四臺礦81220工作面地質(zhì)及開采情況，采用FLAC模擬軟件建立81220堅硬頂板工作面數(shù)值模型，各巖煤層采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)地質(zhì)勘察報告巖煤層物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型四周和底部為固定約束，工作面沿走向和傾向距側(cè)邊均為30m，為簡化模型，將上部巖層按均布載荷設(shè)置取10MPa，最終建立模型長150m，寬100m，高80m，如圖1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

2.2 覆巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

工作面的推進(jìn)破壞了地層原應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得應(yīng)力重分布，且工作面推進(jìn)不同距離時覆巖應(yīng)力分布情況也有較大差異，在模擬時工作面每次推進(jìn)10m。采用FLAC軟件分別對工作面推進(jìn)20m、40m和60m時的堅硬頂板綜采工作面覆巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬分析，垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。可以看出，工作面掘進(jìn)后采空區(qū)頂板覆巖垂直應(yīng)力分布較平緩均勻，基本呈對稱分布，垂直應(yīng)力發(fā)生卸載顯著減小，在前方煤壁處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)20m、40m、60m時，垂直應(yīng)力峰值分別為24.3MPa、39.7MPa、54.3MPa，增幅分別為63.4%、36.8%，可以看出應(yīng)力峰值隨工作面推進(jìn)距離的增大而增大，但增幅減緩，同時采場擾動影響范圍持續(xù)增大，應(yīng)力卸載減小區(qū)范圍發(fā)展到整個采空區(qū)頂板。

圖2 不同推進(jìn)距離時垂直應(yīng)力分布云圖

2.3 覆巖沉降分析

圖3為不同推進(jìn)距離時工作面覆巖沉降云圖。可以看出工作面推進(jìn)不同距離時覆巖沉降最大值均在采空區(qū)中部，兩側(cè)沉降逐漸減小，呈對稱分布，且覆巖埋深越淺沉降值越小。

當(dāng)工作面推進(jìn)20m、40m、60m時，覆巖最大沉降值分別為124mm、438mm及859mm，隨工作面推進(jìn)距離的增大相同位置處的沉降值增大，且沉降影響范圍也增大。分析原因主要由于隨工作面的推進(jìn)，頂板空頂距離增大，覆巖沉降值發(fā)生較大增長，采場擾動繼續(xù)向四周傳遞，擾動范圍增大，采空區(qū)底板發(fā)生隆起，但隨工作面推進(jìn)距離的增大改變較小。

圖3 不同推進(jìn)距離時覆巖沉降云圖

2.4 覆巖破壞規(guī)律分析

圖4為不同推進(jìn)距離時工作面塑性區(qū)分布圖?？梢钥闯?，不同推進(jìn)距離時塑性區(qū)均主要分布在采空區(qū)頂?shù)装逄?，?dāng)工作面掘進(jìn)20m時，頂板大部分區(qū)域較穩(wěn)定，僅中部由于拉伸破壞失穩(wěn)出現(xiàn)小范圍的破碎垮落；當(dāng)工作面掘進(jìn)40m時，頂板破壞區(qū)域范圍增大，但僅出現(xiàn)在直接頂區(qū)域，由此判斷推進(jìn)長度尚未大于頂板極限垮落步距，并未達(dá)到初次來壓；當(dāng)工作面掘進(jìn)60m時，頂板塑性破壞區(qū)域范圍急劇增大，頂板由于剪切、拉伸發(fā)生離層現(xiàn)象，采空區(qū)上部30m處煤巖層也發(fā)生拉伸破壞，由此判斷81220工作面初次來壓步距為60m。

圖4 不同推進(jìn)距離時塑性區(qū)分布

3 堅硬頂板綜采面覆巖活動規(guī)律實測分析

為分析堅硬頂板綜采工作面回采期間覆巖活動規(guī)律，對81220工作面進(jìn)行現(xiàn)場實測，沿工作面傾斜方向布置測線，采用YHY-60液壓支架監(jiān)測儀對ZZ8000/18.5/38型液壓支架的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 初次來壓分析

81220工作面回采期間被監(jiān)測液壓支架初次來壓工作阻力曲線如圖5所示?？梢钥闯觯?1日當(dāng)工作面推進(jìn)55m時，20#支架工作阻力有一個突增的變化，支架工作阻力由5128kN增至6447kN，增幅約25.7%，且煤壁側(cè)出現(xiàn)較明顯的片幫現(xiàn)象。由此判斷81220工作面初次來壓，來壓步距為55m。分析其原因，是因為當(dāng)工作面的推進(jìn)距離大于頂板的極限垮落步距時，在上部巖煤層的壓力作用下基本頂破碎斷裂，并產(chǎn)生較大的能量，在開挖面前方產(chǎn)生較大應(yīng)力集中區(qū)和塑性變形區(qū)，向下傳遞至煤壁，增大了發(fā)生片幫的風(fēng)險，同時壓力向下傳遞使得液壓支架工作阻力增大。

圖5 支架工作阻力曲線圖

3.2 周期來壓分析

在81220工作面初次來壓后，隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板破斷巖煤體長度增加，當(dāng)其長度大于極限垮落步距時，頂板再次發(fā)生斷裂垮落，如此循環(huán)導(dǎo)致工作面周期來壓的形成。在工作面回采期間對液壓支架工作阻力持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，第一次周期來壓期間20#、21#、22#三個支架工作阻力曲線如圖6所示。

圖6 支架工作阻力曲線圖

表2為三個支架周期來壓期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯芷趤韷浩陂g支架工作阻力由5199kN增大至6257kN，增幅約20.4%，平均周期來壓步距約為21.5m，來壓持續(xù)長度約為3.2m。

表2 周期來壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

對比分析堅硬頂板綜采工作面覆巖應(yīng)力分布模擬結(jié)果和頂板來壓監(jiān)測結(jié)果，可知隨工作面的推進(jìn)，應(yīng)力峰值增大，擾動范圍增大同時工作面形成周期來壓，液壓支架工作阻力增大。

4 結(jié)論

本文以四臺礦81220工作面地質(zhì)和開采條件為背景，通過數(shù)值模擬的方法，分別對堅硬頂板綜采工作面覆巖應(yīng)力分布規(guī)律、覆巖沉降及破壞規(guī)律進(jìn)行分析，對初次來壓和周期來壓期間支架工作阻力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：

（1）應(yīng)力峰值隨工作面推進(jìn)距離的增大而增大，但增幅減緩，同時應(yīng)力卸載減小區(qū)發(fā)展到整個采空區(qū)頂板范圍。

（2）隨工作面的推進(jìn)，頂板空頂距離增大，覆巖沉降值發(fā)生較大增長，采場擾動繼續(xù)向四周傳遞，擾動范圍增大。

（3）堅硬頂板綜采工作面初壓時支架工作阻力突增，且煤壁側(cè)出現(xiàn)較明顯的片幫現(xiàn)象。