超前工作面區域復合頂板應力分布規律研究

裴春敏

（山煤國際能源集團股份有限公司煤業分公司，山西 太原 030006）

0 引言

工作面長度是衡量工作面生產能力的一項重要指標，在具體的地質條件下，若工作面長度越大，其生產能力及效率就會越高。然而因工作面地質賦存以及機電設備配套情況所限，在工作面長度增大后，超前工作面區域頂板礦壓顯現也會更為顯著，易引起滾幫、片幫等情況，影響到工作面的安全生產。鹿臺山煤業已回采的2202工作面長度為160 m，為有效提高工作面生產能力及效率，決定將其相鄰2203工作面長度在2202工作面長度的基礎上有所增加。因此，本文對超前工作面區域復合頂板應力分布規律進行研究，并通過理論計算得出2203工作面所能布置的最大工作面長度，為后續確定工作面合理長度提供理論依據。

1 工作面概況

鹿臺山煤業位于山西省晉城市沁水縣張村鄉一帶，批采2號、15號煤層，東西寬1.5～2.0 km，南北長2.6 km，面積4.7 km2，產能0.6 Mt/a。礦井采用斜井開拓方式，共布置有3個井筒，屬高瓦斯礦井，地質構造屬復雜型，水文地質屬中等型。

目前礦井正在回采2202綜采工作面，2203綜采工作面正在進行巷道布置及掘進，是2202工作面的接替工作面。2203綜采工作面位置如圖1所示。

圖1 2203綜采工作面位置示意圖

2203綜采工作面所開采2號煤層厚度范圍為1.35～3.20 m，平均2.20 m；傾角為3°～12°，平均5°。運輸順槽斷面為8.64 m2，回風順槽斷面為8.16 m2。采用綜合機械化開采工藝，全部垮落法管理頂板，傾向長度1 252 m。工作面頂底板情況見表1。

表1 2203工作面頂底板情況

2 工作面頂板板狀受力分析

根據2203工作面頂底板及頂板以上巖層情況可知，2號煤層直接頂底板為堅硬巖層與軟弱巖層互層，軟弱結構層面發育，并且頂板以上巖層有弱富水性含水層，對邊坡穩定性具有一定的影響，整體頂板易于管理，底板泥巖容易遇水膨脹，因此在現場掘進和生產過程中要強化頂底板支護和管理。

2.1 2203工作面頂板分層載荷

基于2203軌道順槽頂板地質條件，確定頂板各分層所受載荷情況。在工作面回采前，其超前區域巷道頂板將會由兩側實體煤所支承，此時其頂板可處于完整的符合層狀結構，因此可將該巷道頂板作為四邊固支的薄板結構作為研究對象。設各薄板所受載荷為，坐標系為將各分層底部左前端作為遠點，x軸、y軸分別為與巷寬、巷長相平行的方向，z軸為與頂板相垂直的方向。所建立的2203工作面力學模型如圖2所示。

圖2 2203工作面力學模型示意圖

根據礦山壓力原理得出2203軌道順槽復合頂板第n層對第i層的載荷作用的表達式為：

式中：i和n為第幾分層，1、2、3……；γi為各分層的體積力，MN/m3；Ei為各分層的彈性模量，G P a；hi為各分層的頂板厚度，m。

根據薄板理論的相關應力方程推導，可以得出各分層薄板的相關應力方程的表達式為：

式中：qi為上覆巖層載荷大小，MPa，μ為板的泊松比；h為薄板厚度，m。

通過建立上述超前工作面區域復合頂板的力學薄板模型，依據礦壓與頂板控制理論，對復合頂板的彎曲變形和受力情況進行綜合分析，可以得出：各個薄板內撓度以及應力分布規律都是相同的。在復合頂板當中，上覆巖層對頂板的載荷作用是其發生彎曲下沉的主要原因，并且越靠近各層巖層的中心位置，其撓曲數值越大。此外，頂板越往上的巖層其相應的最大應力會逐漸減小。綜上分析，復合頂板的主要破壞形式為拉伸破壞。

2.2 2203超前工作面頂板應力分布規律

根據以上的力學分析過程，通過Anaconda力學分析軟件對工作面頂板上覆巖層逐層進行分析研究超前工作面區域復合頂板的受力特征。

1）各分層撓曲及應力分布特征。取z=h/2，各分層撓曲及應力分布特征如圖3所示。

圖3 各分層撓曲及應力分布特征

對圖3進行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，頂板5個分層撓曲分布均出現中心對稱的現象，其撓曲從四邊到中心逐漸增大，并且各層撓曲最大值均位于薄板的中心位置處，巷道頂板由下往上（即由第1層至第5層）的其撓曲逐漸減小，其中第1、5層的撓曲分別為50、2.5 mm，因此其頂板最先由具有自由面的第1層巖層出現變形且相較于向上的其他巖層的變形更大，第5層巖層變形基本很小，可以保持穩定狀態。

2）各分層水平應力σx分布特征。各分層水平應力σx分布特征如圖4所示。

對圖4進行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，x軸方向上5個分層水平應力分布均出現中心對稱的現象，并且水平應力在巷道長度方向上出現首先增大而后減小的變化情況，頂板兩側中心處具有最大水平應力。在各層巖層當中，離越中心越近其水平應力也越小，直至到第5層巖層處最大水平應力減小到2.0 MPa左右。第1層薄板所受最大水平應力大于2.0 MPa處要出現垮落現象，依次層層遞進，直到所受的最大水平應力小于2.0 MPa時，巖層可以處于穩定。

圖4 各分層水平應力σx分布特征圖

3）各分層水平應力σy分布特征。各分層水平應力σy分布特征如圖5所示。

圖5 各分層水平應力σy分布特征圖

對圖5進行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，y軸方向上5個分層水平應力的分布規律與x軸上的分布規律基本相同，結合x軸和y軸上的分層水平應力分布規律，可以得出復合頂板巖層主要是因拉伸破壞而發生變形垮落的。

3 工作面最大長度

通過礦壓監測數據顯示，與2203工作面相鄰的2202工作面在初采期間有如下礦壓顯現情況：工作面推采進度為7 m時，工作面中部支架頂板出現冒落矸石較多等顯著來壓狀況；工作面推采進度為10 m時，頂板開始全部垮落；工作面推采進度為22 m時，直接頂全部垮落，最大強度42.35 MPa；工作面推采進度為48 m時，頂板全部垮落，最大強度40.45 MPa。2202工作面在頂板煤業來壓時的強度為29.7～31.4 MPa，約為30 MPa，而老頂來壓時的最大強度為42.35 MPa，即動壓系數約為1.41。

按照普氏理論及工作面支架工作阻力，2203工作面最大長度可由下式進行計算：

式中：f為頂板巖石普氏系數，根據臨近的2202工作面頂板巖石力學參數，平均值取3.69；Pd為靜壓，根據工作面礦壓監測動壓系數1.41，其對應的最大靜壓為3 404.3 kN；g為重力加速度，取10 m/s2；γ1為頂板巖石密度，取2.5×104 kg/m3；Lz為支架頂梁長度，取3.8 m；bz為支架頂梁寬度，取1.43 m。將上述各項參數代入公式3中進行計算可以得出：根據工作面頂板實際地質情況，2203工作面最大長度約為185m，與原先2202工作面長度160m相比較，可以增長25m。

4 結語

通過對鹿臺山煤業2號煤層超前工作面區域復合頂板應力分布規律進行分析，并根據相鄰的2202工作面初采期間的礦壓監測結果，結合工作面頂板實際地質條件，通過理論計算得出了2203工作面所能布置的最大工作面長度，主要結論如下：

1）通過對2203工作面頂板上覆巖層進行受力分析及數值計算可知，第1分層至第5分層的主要破壞形式為拉伸破壞。

2）根據相鄰的2202工作面初采期間的礦壓監測結果，結合工作面頂板實際地質條件，按照普氏理論及工作面支架工作阻力進行計算，2203工作面最大長度約為185 m，與原先2202工作面長度160 m相比較，可以增長25 m。

3）以上研究結論對于工作面長度確定具有一定的借鑒意義，但仍需要針對該工作面進行進一步的機電設備、支護能力配套驗算與分析。