近距離煤層群頂板結構及破斷模型分析

逄錦倫

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039; 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037)

近距離煤層群由于煤層間距較小，在開采其中一個煤層時，勢必會影響另一個或多個煤層的開采，因此在開采的時空關系上具有一定的關聯性[1-4]。而近距離煤層群兩煤層間頂板的破斷垮落特性，決定著煤層群回采時的時空關系[5-9]。因此，研究近距離煤層群上下兩煤層間頂板的破斷垮落特性，對于近距離煤層群的安全高效聯合開采具有重要意義。

1 煤層間頂板結構分類

通過總結不同類型近距離煤層間夾層(頂板)的特點，根據夾層(頂板)破斷垮落類型不同，將近距離煤層群頂板結構分為3種，即：散體結構頂板、塊體結構頂板及板式結構頂板[10-13]，如表1所示。

表1 煤層直接頂分類

1.1 散體結構頂板

散體結構頂板主要是指上下兩層煤層間夾層厚度小于4 m，且巖性多為泥巖及泥頁巖的頂板。散體破斷模型如圖1所示。

圖1 散體破斷模型

此種類型頂板幾乎沒有承載能力，在上煤層回采過程中受采動應力的影響，會呈現散體破壞的情況。當下煤層回采時，此類頂板會隨著下部工作面的推進隨采隨落，其頂板垮落形式主要以頂板散體塊之間的滑動垮落為主，且在回采過程中幾乎不會出現礦壓顯現，將此類破斷稱為散體破斷。

1.2 塊體結構頂板

塊體結構頂板主要是指上下兩煤層間夾層厚度為4～8 m，且巖性多為粉砂巖和砂質泥巖的頂板。對下煤層而言，此類頂板結構由于具有一定的厚度和強度，在上下煤層的回采工作面中會表現出一定的承載性。在上煤層的回采過程中，下煤層頂板受上煤層的采動影響會發生破斷，塊體破斷模型如圖2 所示。

(a)下煤層未開采時

此類結構頂板的原有裂隙會逐漸發育直至穿透整個頂板結構，從而形成一個一個緊挨的塊體結構，如圖2(a)所示。

在下煤層的開采過程中，此類頂板會隨著工作面的不斷推進出現塊體循環垮落失穩的現象。具體表現為回采初期隨著回采距離的增大，2個塊體旋轉失穩，并在塊體間形成鉸接支承結構，如圖 2(b) 所示。

在工作面繼續向前推進過程中，懸頂面積繼續增大，第1個完全裸露的塊體的支承結構被破壞，完全垮落，第2個和第3個塊體形成鉸接的支承結構，如圖2(c) 所示，如此往復進行。此類結構頂板在回采過程中會出現一定的周期來壓現象，但周期來壓步距較短，且來壓時應力表現較弱，因此將此種破斷稱為塊體破斷。

1.3 板式頂板結構

板式結構頂板主要是指上下兩煤層間夾層厚度在8 m以上，且頂板巖性多為石灰巖、致密砂巖等強度較高的巖石頂板。板式破斷模型如圖3 所示。

(a)中部裂紋 (b)中部+端頭裂紋 (c)“X”形裂紋

該類結構頂板自身具有較強的承載能力，上煤層開采時對其本身結構的影響較小，因此在下煤層開采時可將該頂板視為板式結構。

在下煤層回采初期，頂板破壞先是從工作面中部開始，因為此處承受的剪應力最大，如圖3(a)所示；當下部工作面繼續向前推進，頂板破壞加劇，工作面中部裂紋向工作面兩邊擴展，而工作面端頭區域亦出現破壞，如圖3(b)所示；當下部工作面進一步向前推進，頂板裂紋會繼續發育，最后呈現“X”形斷裂，如圖3(c)所示。此時出現初始來壓，且來壓狀況比較明顯，因此將此種破斷稱為板式破斷。

2 幾何模型的建立

為直觀分析不同頂板結構下頂板的破斷規律，利用3DEC數值模擬軟件進行建模[2,6,14-15]。選擇官地煤礦3318工作面為工程研究背景，該工作面長為120 m，主采的3#煤層平均厚度為1.8 m，3#煤層與相鄰的2#煤層間距為6.5 m。2#煤層平均厚度為2.3 m，2#、3#煤層間巖性主要為泥質砂巖和細砂巖。設計幾何模型尺寸長×寬×高為140 m×60 m×38 m，模型共劃分317 382個塊單元。幾何模型如圖4 所示。

圖4 3DEC數值模擬幾何模型

數值模擬采用的邊界條件為：垂直向下施加重力，左右及前后各施加12 MPa應力。

3 數值模擬結果分析

3.1 散體結構頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進過程中散體結構頂板的垮落和應力集中情況，散體結構頂板開采位移云圖如圖5所示，應力云圖如圖6所示。

由圖5可知，在工作面推進初期頂板就出現了明顯變形，當工作面推進5 m時，該類型頂板即出現了整體下沉；隨著工作面的進一步向前推進，下煤層頂板下沉變形進一步加劇，可看出該類型頂板在下煤層開采過程中不具有支承能力。

由圖6可知，在工作面推進距離從5 m增加到20 m的過程中，應力變化較小，應力集中程度較小，應力集中主要出現在工作面后方和端頭位置。

綜上可知，散體結構頂板在下部工作面回采過程中表現為隨采隨落，且應力集中程度較小，對下煤層回采不會造成過大影響。

3.2 塊體結構頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進過程中塊體結構頂板的垮落和應力集中情況，塊體結構頂板開采位移云圖如圖7所示，應力云圖如圖8所示。

由圖7可知，在下部工作面推進過程中塊體結構頂板表現出了一定的支承能力，在下部工作面推進至10 m時，該類型頂板的下部出現一定程度的變形，但上部仍然起支承作用；當工作面推進至15 m時，頂板下部變形量加大，但整體變形量較小，且沒有急劇加大；當工作面繼續推進至20 m位置時，頂板出現急劇變形，表現出失穩狀態。

由圖8可知，在下部工作面推進過程中，隨著工作面向前推進，工作面兩端的應力集中程度愈發加劇，且應力的明顯變化發生在工作面推進至15 m位置時。

塊體結構頂板的垮落破斷情況可以認定為：塊體結構頂板在下部工作面回采中具有一定的支承能力，頂板垮落破斷基本滯后于工作面15 m左右，即在工作面推進至15 m時出現初次來壓現象，這是由于塊體結構頂板垮落過程中塊體的回轉失穩造成的。

3.3 板式結構頂板垮落模擬

利用3DEC軟件模擬下部工作面推進過程中板式結構頂板的垮落和應力集中情況，板式結構頂板開采位移云圖如圖9所示，應力云圖如圖10所示。

由圖9可知，當下煤層工作面推進至15 m位置時，上下兩層煤層間頂板(夾層)表現出較好的承載性能，頂板下方有一定變形位移，但頂板整體變形不大；當工作面繼續推進至20 m位置時，頂板變形加大，但沒有出現劇烈變形；當下煤層工作面推進至 25 m 位置時，頂板出現劇烈變形，可判定此時出現了初次垮落現象；當工作面推進至45 m位置時，頂板再次發生劇烈變形，此時可判定出現周期來壓現象。

由圖10可知，當工作面由15 m推進至20 m位置時，工作面兩端應力變化明顯加劇；當工作面推進至 25 m 位置時，應力集中情況相對緩解；當工作面繼續推進至45 m位置時，應力集中情況再次出現降低現象。

綜上可知，在下煤層工作面向前推進過程中，板式結構頂板具有較好的承載性，能夠出現初次來壓及周期來壓現象。根據官地煤礦地質條件模擬可知，其初次來壓步距為20～25 m，周期來壓步距為20 m 左右。

4 礦壓監測數據分析

官地煤礦3318工作面頂板為板式結構，為分析其頂板垮落情況，在工作面布設的20、40、60、80、100號支架上安裝應力計，用其監測工作面頂板應力變化情況。工作面支架阻力變化情況如圖11所示。

(a)20號支架阻力

由圖11可知，3318工作面直接頂的初次來壓步距約為22.3 m，且周期來壓表現為工作面中部先來壓，然后逐步向工作面兩端發展；周期來壓步距約為19.8 m，且周期來壓期間支架平均阻力為3 256 kN，占支架額定阻力的72.3%，周期來壓并不強烈。實測結果與數值模擬結果相吻合。

5 結論

1)近距離煤層群頂板結構可分為3種，即散體結構頂板、塊體結構頂板及板式結構頂板。

2)對3種不同頂板結構垮落破斷情況進行3DEC數值模擬得出：散體結構頂板為散體破斷，不具有承載能力；塊體結構頂板為塊體破斷，具有一定的承載能力，礦壓現象不明顯；板式結構頂板為板式破斷，承載能力較強，表現出初次來壓和周期來壓現象。

3)通過對官地煤礦3318工作面實測，其初次來壓步距約為22.3 m，周期來壓步距約為19.8 m，與數值模擬結果相吻合。3318工作面頂板為板式結構。