坚硬顶板大采高综采工作面顶板预裂数值模拟研究

贾斌

【摘要】为研究坚硬顶板大采高条件下综采工作面悬顶面积过大的问题，以山西凌志达煤矿15101工作面为研究对象，采用数值模拟的研究方法，通过模拟15101工作面在初采时切眼不同情况下采场围岩的塑性破坏情况、垂直应力和煤壁侧支撑压力分布规律，得出切眼顶板预裂是有效可行的，为现场试验提供了指导依据。

【关键词】坚硬顶板；大采高；顶板预裂；数值模拟

Numerical Simulation of Roof Pre-splitting on Hard Roof Open-off Cuts Pre-splitting in Fully Mechanized Working Face

JIA Bin

（Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China）

【Abstract】In order to study the large roof overhang problems in great mining height mechanized mining face under hard roof conditions ,based on Shanxi Lingzhida mine 15101 face, used numerical simulation methods, simulated 15101 face cut in the early pre-cut mining under different plastic case stope rock damage circumstances, vertical stress and support law distribution in the coal wall side, obtained pre-cut in the roof fissure is feasible, provided guidance for the field trial basis.

【Key words】Hard roof;Large mining height; Open-off cuts pre-splitting; Numerical simulation

0前言

長壁工作面开采绝大多数采用全部垮落法处理顶板，顶板能够随着工作面推进而自行垮落是长壁工作面实现安全回采的首要条件[1-3]。坚硬顶板强度高，节理、裂隙不发育，整体性和自稳能力强等特点，当煤层顶板为坚硬难垮落顶板时，回采过程中容易形成大面积悬顶。当顶板大面积突然垮落时极易形成飓风和强冲击载荷，容易造成人员伤亡和设备损坏，而且容易造成瓦斯瞬间涌出，诱发瓦斯重特大事故，当煤岩体有冲击倾向性时，还容易诱发冲击矿压灾害[4-6]。

1工程概况

15101工作面位于井田中部，东侧为15#层集中回风大巷，南部、北部均为未开采煤田，西至庄头断层约600m，上部有3#煤层3301、3305、3307、3308工作面采空区。该工作面煤层最大厚度4.2m，最小厚度3.5m，平均煤厚3.85m；煤层倾角除700～900m处最大坡度达13°外其余平均1°～3°，煤层赋存稳定，结构简单。

15号煤层位于太原组下部，上距K2石灰岩0-3.00m。煤层稳定全区可采。顶板为炭质泥岩或泥岩，底板为泥岩或炭质泥岩。

基本顶：K2灰岩，厚度为5.75~8.93m，深灰色，中厚层状，含生物碎屑，方解石，致密坚硬；

直接顶：泥岩，厚度为0.6~2.0m：黑色、质地较密；

伪顶：炭质泥岩，厚度为0.05~0.2m，黑色，质地松软，随采随落；

底板：泥岩及黄铁矿泥岩，平均厚度12.88m，黑色,含黄铁矿，有黄金色碎屑。

2数值模型的建立

本次数值模拟以凌志达矿井15101综采工作面为研究背景，该工作面走向长2240m，倾斜长175m，煤层平均倾角1°，平均厚度4.2m，埋深290m。模拟工作面推进过程中采场围岩应力场、位移场分布特征，并提取各单元的应力、应变值。

（1）煤岩体力学参数确定

模拟计算岩体理力学参数参见表１。

（2）模型的建立

为了掌握关于坚硬顶板的控制方案，将模拟坚硬顶板综采工作面在开采过程中未进行切眼放顶和进行切眼放顶时，工作面在推进的过程中顶板塑性区的变化情况，建立了三维数值计算模型，如图1所示，模型走向长360m，倾向宽250m，煤层倾角为1°。每个单元的长大致为3.6m，高为1.05m，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。

整个数值模拟过程分为以下几个步骤：

①建立数值模型，给定边界力学与位移条件，并完成初始应力平衡；

②采用一次采全高进行开采，并运算平衡；

③分析数值模拟结果。

表１主要煤岩层数值模拟力学参数

图1三维数值计算网格模型

3数值模拟结果及分析

1）15101工作面切眼未放顶时初次来压分析

凌志达煤矿15#煤层的顶板K2灰岩为坚硬顶板，为了研究未经放顶时随工作面推进K2灰岩的破坏情况，取工作面推进50m为参考，对工作面推进至50m时进行模拟。

图2中为K2石灰岩老顶在推进50m时顶板的塑性破坏情况，工作面推进到50米时，由于采空区的空间不断增大，顶板上方的岩层重量不断的增大，下层的石灰岩在切眼和工作面的位置的两个顶角位置出现了约3m的破坏，顶板中央的破坏的区域也在增大，但破坏的整体范围也很小，顶板K2灰岩不会整体垮落。说明未放顶时，坚硬顶板K2灰岩的初次来压步距大于50m。

煤层顶板总的垮落高度，按最大破坏深度2.2m，但工作面的采高为4.2m，矸石无法完全填满采空区。工作面长度为175m，此时顶板的悬空面积达8750m2，顶板一旦突然产生大面积垮落，将会对工作面设备和支架形成很大的冲击，易造成支架的压死或形成工作面的飓风，带来生产事故。

图2工作面推进至50m时未放顶时煤岩层破坏状态

图3未放顶时工作面推进至50m煤岩层垂直应力图

图3为未放顶时工作面距离50m时工作面附近垂直应力分布情况，工作面分别推进到50m时，工作面煤壁侧的最大超前支撑压力分别为26MPa，由此看出在初次垮落前，超前支撑压力值将随工作面推进的距离增加而增加。过大的支撑压力会造成煤壁片帮，特别对两顺槽的超前支护带来很大困难，从减小支撑压力，保证煤壁及顺槽的稳定性角度也应对顶板进行处理。

从以上的垂直应力图中也可以看出，随工作面的推进，煤层上的支承压力处在动态变化之中。煤层开挖后，出现明显的支承压力集中区，而在采空区内底板上压力则明显降低。但随着工作面的推进，超前支承压力峰值逐渐增加，而采空区底板上的支承压力也有逐渐增大的趋势。

2）15101工作面切眼放顶时初次来压分析

由现场观测的切眼放顶后的矿压数据和实验室进行的煤层顶板K2放顶的相似模拟实验分析，切眼的放顶可以使顶板的初次来压步距减小，现根据15101工作面实际的情况建立模型，设计切眼为4m，切眼处放顶使切眼上方的K2全部贯穿垮落，图4为工作面推进30m的煤岩层的破坏状态。

图4放顶时工作面推进至50m时煤岩层破坏状态

由图4可以看出，工作面推进到30m时，由于采空区的空间不断增大，顶板上方的岩层重量不断的增大，K2灰岩层受到更大的应力，此时岩层与工作面相较处的区域破坏的高度进一步增大，达到了6.8m，基本上贯穿了整个K2灰岩层，说明顶板的梁结构发生了破断，工作面初次来压，初次来压的步距大致为30m左右，在考虑到切眼的距离，步距在34m左右；放顶后煤壁侧的支撑压力相对会比不放顶时大，由于放顶后顶板形成了悬臂梁结构，应力的增大使K2石灰岩垮落，及时充填了采空区，避免了工作面形成大面积的悬顶。

4结论

通过对15101工作面实际条件的现场模拟，当切眼未放顶时，工作面推进到50米岩层整体的破坏范围很小，顶板K2灰岩不会整体垮落，此时不仅采空区的悬空面积达到8750m2，故应在切眼处进行放顶；放顶后初次来压的步距大致为30m左右，此时岩层与工作面相较处的区域破坏的高度进一步增大，达到了6.8m，基本上贯穿了整个K2灰岩层，保证了安全生产工作。

【参考文献】

［１］吴仁伦,许家林,秦伟.顶板预裂治理综放面初采期瓦斯的数值模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报,2011,28(2):320-323.

［２］郭浩森.特厚煤层综放采场矿压显现特征及覆岩移动规律研究[D].河南理工大学,2012.

［３］伍永平,潘洁,解盘石,等.大倾角煤层坚硬顶板预裂弱化的数值分析[J].西安科技大学学报,2010,30(2):7-12.

［４］郑文翔.综放工作面顶板预裂技术研究[J].煤炭工程,2014,46(2): 55-57.

［５］郭浩森,李化敏,李东印,蒋东杰.重型综放工作面快速回撤与末采期顶板控制技术[J].煤炭科学技术,2012,40(10):34-36,40.

［６］张广云.坚硬巨厚顶板综采工作面矿压显现规律研究[J].中国资源综合利用, 2011,29(5):37-39.

［责任编辑：曹明明］