特厚煤層堅硬頂板應力演化及破斷規律數值模擬研究

董偉宏

（西山煤電白家莊礦第二項目部， 山西 太原 030022）

綜合機械化放頂煤開采方法促進了特厚煤層堅硬頂板工作面的快速高效生產，但同時也造成特厚煤層綜放工作面的強礦壓顯現情況，這將會導致采空區懸頂面積大、難以垮落等問題，若采空區懸頂發生大面積垮落，則會引起工作面出現大面積來壓，最終造成工作面颶風、支架壓死等危險情況，從而帶來難以挽回的生命財產損失[1-2]。因此，必須針對各個礦井的實際地質條件，加強對特厚煤層堅硬頂板綜放工作面礦壓監測，掌握工作面礦壓顯現規律，為該類礦井實現安全高效生產提供理論依據。

1 22203 綜放工作面概況

韓家洼煤業22203 綜放工作面開采22 號煤層，該煤層煤厚10.3～12.7 m，平均11.5 m，傾角范圍2°～8°，平均5°，平均埋藏深度200 m。工作面掘進期間共揭露15 條正斷層，其中3 m 以上的7 條，3 m 以下的8 條。22 號煤層上覆為平均厚1.10 m 的泥巖偽頂，直接頂為平均厚3.00 m 的砂質泥巖，老頂為平均厚30 m 的細砂巖。根據以往其他22 號煤層工作面開采情況，頂板的整體性和穩定性好，細砂巖的抗拉強度為5.20 MPa，剪切模量為19.09 GPa，屬于堅硬頂板。采用兩巷布置方式，其中運輸順槽兼具進風功能，回風順槽兼具軌道運料功能。采用單一走向長壁后退式低位放頂煤開采的采煤方法，推進方向為由北向南沿煤層底板方向，采用全部垮落法管理頂板。

2 特厚煤層堅硬頂板綜放開采三維數值計算模型

根據22203 綜放工作面實際工程情況，通過FLAC3D數值模擬軟件建立如圖1 所示的三維數值計算模型。

圖1 三維數值計算模型

圖1 中模型的尺寸為300 m×150 m×60 m，含6層煤巖層，其上下左右及底部邊界設置為法向位移固定的形式，在頂部邊界設置5 MPa 的上覆巖層自重載荷，采用Mohr-Coulomb 準則。表1 所示為各煤巖層物理力學參數統計情況。

表1 各煤巖層物理力學參數統計情況

在模擬綜放工作面推進的過程中，為了更加真實地體現開采擾動對巖層力學性質的影響，在數值計算的過程中嵌入了FISH 語言編寫的雙線性損傷計算的程序。損傷演化方程為：

式中：w 為巖石的損傷度；ε 為應變；εf、εu為確定雙線性模型的兩個參量。

為了研究不同工程地質因素對特厚煤層綜放工作面堅硬頂板應力演化與破斷規律的影響，分別對軟頂、中硬頂、堅硬頂三種情況下頂板的初次來壓與周期來壓規律進行分析研究。

3 初次來壓期間堅硬頂板應力演化及破斷規律分析

根據巖石力學相關理論，可將最大、最小主應力的差值Δσ 作為頂板巖層是否發生斷裂破壞的判別標準[3]。在未采用強制放頂措施條件下，工作面推進不同長度時，煤層上覆頂板5 m 位置處的主應力差的變化情況如下頁圖2 所示，圖2 中，Δσ0表示原始應力條件下頂板巖層某一位置的主應力差。

圖2 工作面推進過程中煤層上方5 m 處頂板中主應力差的變化曲線

從圖2 中可以發現，工作面推進一定長度時，在采空區的前、后方均有高應力區域，但在其上方有低應力區域。因此，在工作面的推進過程當中，頂板巖層中任意一點均會出現先增壓后卸壓的現象。在工作面不斷向前推進的過程當中，位于工作面煤壁前方頂板中高應力區域的應力及其范圍也不斷增大，然而在工作面推進長L 為60～70 m 時，位于工作面煤壁前方頂板中的高應力區域會向其后方轉移。據此能夠得到，此時采場頂板會出現由其四周的“O”形斷裂變形延伸貫通到工作面長度方向的“X”形斷裂變形，此時老頂出現大面積破斷破壞，即老頂初期來壓。

改變頂板的黏聚力、內摩擦角等關鍵力學參數來模擬軟頂、中硬、堅硬頂板，圖3—圖5 分別為不同頂板強度條件下工作面推進不同距離時的垂直應力分布云圖。

圖3 軟頂工作面推進不同距離時的垂直應力（Pa）分布

圖4 中硬頂工作面推進不同距離時的垂直應力（Pa）分布

圖5 堅硬頂工作面推進不同距離時的垂直應力（Pa）分布

通過圖3—圖5 可以得出，當軟頂工作面推進至L=20 m 時，老頂處已經出現為零的垂直應力，這說明此時老頂開始破壞，當軟頂工作面推進至L=30 m 時，采空區上方老頂大面積破壞；當中硬頂工作面推進至L=20 m 時，采空區上方直接頂與偽頂的位置垂直應力為零，這說明直接頂與偽頂已經垮落，當中硬頂工作面推進至L=40 m 之后，老頂垂直應力為零，這說明老頂已經開始垮落；當堅硬頂工作面推進至L=20 m時，采空區上方直接頂與偽頂已經垮落，而在工作面推進至L=60 m 后，老頂才出現大面積斷裂破壞。隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

4 周期來壓期間堅硬頂板應力演化及破斷規律分析

為進一步分析特厚煤層綜放工作面周期來壓期間堅硬頂板應力演化及破斷規律，采用充填采空區的方法來近似地模擬頂板的初次破斷垮落后對采空區壓實作用的影響。依據上述數值模擬結果，取堅硬頂板初次來壓步距為70 m，當工作面累計推進距離達到頂板初期垮落步距時，對該推進段采用弱材料進行充填，以模擬采場頂板的初次垮落壓實情況。假設采空區充填弱材料為彈性材料，定義采空區壓實率η 為采空區充填弱材料彈性常數與頂板覆巖層彈性常數的比值，根據工程經驗確定采空區壓實率為η。

如圖6 所示為工作面周期來壓時推進L=100 m、L=130 m 的垂直應力分布云圖。

圖6 工作面周期來壓垂直應力（Pa）云圖

從圖6 中可以得出，當工作面推進至L=100 m時，工作面前方煤壁產生應力集中顯現，采空區上方老頂中有垂直應力為零的情況，這說明老頂開始垮落，此時老頂出現周期來壓；當工作面推進至L=120 m時，工作面前方煤壁產生應力集中顯現，采空區上方老頂中有垂直應力為零的情況，這說明老頂開始垮落，此時老頂也出現周期來壓。由此可以得出，工作面周期來壓步距約20 m。

如圖7 所示為不同頂板強度條件下，工作面推進不同距離時的垂直應力分布云圖。

圖7 不同頂板強度條件下工作面周期來壓時的垂直應力（Pa）分布云圖

從圖7 中可以得出，當軟頂工作面推進至L=50 m時，老頂處已經出現垂直應力為零的情況，這說明此時老頂開始破壞；當中硬頂工作面推進至L=75 m 時，老頂垂直應力為零，這說明老頂已經開始垮落；當堅硬頂工作面推進至L=100 m 時，老頂才出現大面積破壞。因此，隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

5 結論

1）在堅硬頂板條件下，22203 綜放工作面老頂的初次來壓步距約70 m，周期來壓步距約20 m。

2）通過對比軟頂、中硬頂、堅硬頂三種情況下的頂板應力演化及破斷規律可以得出，在老頂初次來壓期間和周期來壓期間，隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

3）根據數值模擬結果，在堅硬頂板條件下，老頂初次來壓步距較大，易造成工作面颶風等危險發生，必須采取人工強制放頂的技術手段。