综采覆岩破断机理与强矿压显现规律研究

闫寅山

【摘要】本篇文章主要依据榆家梁煤矿作为案例，使用几种不同的检测方式，来针对综采覆岩破断机理以及其中的强矿压显现规律进行了全面详细的探讨，尤其是对其中的破断机理、采动裂隙发育等进行了研究。并且利用其研究结果，良好的解释了后松散层超薄基岩综采在所处环境静压大、动压小、采动裂隙不充分等各个不同的现象，都明确的表示出覆岩破断机理以及强矿压的显现规律在整个开采中有着极其重要的研究价值。

【关键词】厚松散层；薄基岩；综采；采动裂隙；应力拱

我国的榆家梁煤矿是我国极为重要的一处煤矿能源开采区域，为了能够对进行深入的研究，从而了解其中各个环节的特性，以便于煤矿的开采能够更加的顺利。该煤矿位于榆家梁井田二盘区的东南部，其地区是在糜地沟、石窝、武家燕湾的区域范围之内。其煤矿的基岩较薄、风化基岩强度较低、松散层较厚，而在这一情况下，其覆岩破断所具有的特征，也就和其他矿区的薄基岩浅层开采有着极大的不同，而从这其中所呈现出的强矿压显现规律也有着一定的特殊性。而基岩综采覆岩破断机理的研究有着极大的紧迫性，这对于安全生产来说有着极其重要的作用。

1、工作面开采条件

下文主要针对榆家梁煤矿的52215实工作面进行了深入的研究，该工作面的地表广泛覆盖了第四系的松散沉积物质，整个地质起伏变化较大。是而从其煤矿的回撤通道直至2398米上部60米左右的位置，则是43306、43306采矿工作面，并且已经成为了采空的坍塌区，其剩余段则的松散厚度层则是为0-59米左右，上部覆基岩厚度为50-90米；整体工作面的地层趋势呈现出的是以一个较为平缓的坡度逐渐向其北西方，整体起伏不大，倾斜角度大约为1-3°；在矿井中的断层在这一过程中持续不断的发育，并且开始出现大量的裂隙发育现象。其工作面之上的煤层覆含有水层的位置为顶板砂岩裂隙含水层，该层厚度达到了68-112米，其裂隙是处在一个不断发育的状态下，渗透系数达到了K=0.00492m/d。而其中实际的水头高度仅仅只有17米，对周边岩层的影响范围为R=13.52m，当工作面完全采空并且塌陷之后，其含水层中的水极有可能直接沿着开采工作面的东侧，逐渐沿着塌陷之后的边缘，进入到采空区域内，但是该含水层中的富水量较小，所涌出的水量对于整个工作面的影响并不大，而初步估计整个工作面的涌水量大约为20m3/h左右。

2、覆岩移动破断机理数值模拟

2.1模型的建立

使用UDEC软件来对榆家梁煤矿进行模拟分析，由于本次文章的具体研究重点是煤层顶板之上所存在的软弱基岩，所以其单元的边长在这一过程中最大不会超过2.6m。而围岩的物理学性质则需要对岩石实际的力学特性进行确定后才能够进行参考。

2.1.1模型边界条件 在对岩层自身各方面的数值进行严格的模拟计算期间，如果说其岩层自身的所存在的松散层厚度较大，那么模型在进行计算的过程中，就应当将模型的垂直范直接取到松散层的范围之内。在这其中，地层自身的走向长度大约达到了300m，而地层在这一过程中所呈现出来的高度则是110m，所以，必须要将其中的综采线以及切眼这两个环节直接延伸到地层60m的位置，利用该环节的煤柱来当做是完全固定的边界。并且直接把煤层上方90m区间范围内的岩层当做是持续深入研究的关键对象，并且利用平面应变模式的方式来对其中所涉及到的各项数据进行全面详细的计算。

针对模型进行计算期间，位移边界过程中所必须要达到的各方面条件主要为：在将模型左右、下部两个环节的边界设置为相应的位移边界之后，左右边界位置所呈现出来的限制水平方向，实质上就是水平方向所最终需要进行的位移数据；如果说下部位置的边界直接把竖直作为一个方向的限制，那么其地层的上部在这一过程中便可以直接当做是完全自由的边界而存在。所以，上部环节实存在的松散层，就应当直接当做外载的方式施加到模型既定位置的上边界。

2.1.2模拟参数及开采方案 岩块使用莫尔-库伦模型，节理模型采用节理面接触库伦滑移模型。岩层节理简化为水平方向与竖直方向两组节理，各岩层的材料屬性参数要精确设置。设计开采方案如下：模型煤层走向开挖，采高为9m，每次开挖10m，分析推进过程中应力拱变化以及采动裂隙发育规律。

2.2数值模拟结果分析

2.2.1覆岩移动过程中应力拱和采动裂隙的变化规律

采场上覆岩层在不同开采阶段的应力矢量分布。

（1）覆岩主应力分区明显，采空区垮落带区域内为低应力区，覆岩裂隙带内形成高应力区，并成拱状，在近煤壁处形成低应力的应力拱，在远离煤壁处，形成高应力的应力拱。（2）应力拱在初次来压前，一端位于切眼煤壁内，一端位于工作面前方煤壁中，在拱端形成主应力集中。稳定的矸石中形成应力集中，前拱脚随着工作面的推进而不断前移。

2.2.2覆岩移动过程中支承压力变化规律 煤层采出后，由于应力拱的存在，采空区上方岩层质量将向采空区周围新的支撑点转移，从而在采空区周围形成支承压力带。工作面前方形成的超前支承压力随工作面推进而不断前移。工作面初次来压期间，直接顶最下位岩层峰值压力为4.161MPa，应力集中系数Kp=1.39，峰值位置距工作面为6.7m。由此表明，由于覆岩中应力拱的存在，岩层移动过程中，支承压力呈现出静压大，动压小，动载系数小的特点，来压显现不明显。

3、覆岩破断规律现场的强矿压研究

为了验证应力拱对工作面矿压显现和覆岩采动裂隙发育高度的控制作用，将相邻的43306综采工作面作为试验工作面，对其矿压显现和覆岩破坏高度进行观测。43306工作面标高为-276.8～-313.4m，工作面走向长370～440m，平均380m，倾斜长138～142m，平均140m，煤层倾角平均为8°，煤厚平均为8.9m。工作面主要设备为：ZF6000/17.5/28液压支架，SGZ-764/630前后部刮板输送机，MG300/720AWD采煤机。

根据观测，支架的平均初撑力为1728kN/架，为额定初撑力的38%，其中，上部1734kN/架，中部1731kN/架，下部1719kN/架。支架平均工作阻力为1933kN/架，均为额定工作阻力的33%，其中，上部1954kN/架，中部1910kN/架，下部1936kN/架。当工作面推进到28m处，发生初次来压，动载系数为1.24，周期来压步距为12～14m，动载系数为1.18。表明由于应力拱的存在，覆岩不会出现强烈的来压显现，工作面推进过程中静压大，动压小，动载系数小，选用的支架高初撑力和额定工作阻力保证了能够保证工作面安全回采，其回采率也要比传统的综采开始高出3%左右。

4、结论

综上所述，通过数值模拟的方式，深入的研究了综采的过程中，其覆岩所形成拱岩就必然随着工作面的推进而促使拱脚不断的前进，而其中所涉及到的动载系数就在这一过程中矿压现象。并且，本文通过对矿压观测、采动裂隙的发育高度进行探测之后，从而对基岩之下的煤层中所存在的覆岩破断机理以及强矿压现象的规律进行了深入的研究，这对于我国的煤炭资源安全回收来说，起到了极其重要的作用。

参考文献

[1]许家林，蔡东，傅昆岚.邻近松散承压含水层开采工作面压架机理与防治[J].煤炭学报，2007（12）

[2]侯忠杰，吴文湘，肖民.厚土层薄基岩浅埋煤层“支架-围岩”关系实验研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2007（01）

[3]涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究[J].煤炭学报，2004（06）