倾斜薄煤层机采工作面顶板压力的确定

王仲国

(朔州市山阴县安监局煤炭技术服务中心，山西朔州036000)

倾斜薄煤层机采工作面顶板压力的确定

王仲国

(朔州市山阴县安监局煤炭技术服务中心，山西朔州036000)

针对倾斜薄煤层开采面临的难题，以某矿开采工作面为背景，运用RFPA2D(Rock Fracture Analysis)软件，分析了工作面沿走向、倾向的覆岩活动规律及工作面上覆岩层位移情况，得出了倾斜薄煤层开采覆岩活动规律和覆岩应力、位移演化规律。通过数值模拟结果获得工作面控顶设计中顶板压力的确定方法，为工作面的控顶设计提供了依据。

倾斜薄煤层;覆岩活动规律;顶板压力;控顶设计

薄煤层开采面临的问题有:煤层赋存条件复杂，地质条件多变，机械化程度较低，产量较小，生产效率低下。如何在薄煤层条件下，采用先进的技术提高工作效率，一直是现阶段亟待解决的技术难题。薄煤层开采高度小，决定了其工作面支护难度大，劳动强度高。尤其是对于倾斜、急倾斜薄煤层而言，对工作面的支护有更高的要求。而对采场覆岩活动规律的研究是确定合理支护参数的前提［1］．本文以某矿倾斜薄煤层为背景，采用数值模拟的方法对工作面覆岩“三带”的发育特征、裂隙带基本顶的稳定性以及工作面顶板压力的确定进行了研究，为倾斜薄煤层工作面控顶设计提供了可靠的依据。

1 工作面条件

某矿工作面开采煤层赋存较稳定，煤厚一般在0.8～1.2 m，平均厚度为1.0 m，属薄煤层。倾角在26°～32°，平均30°．直接底为3.5 m灰色、致密较硬粉砂岩;直接顶为6.9 m中细砂岩;基本顶为8.65 m灰－灰白色、无层理，泥质胶结粉砂岩。该煤层采用走向长壁工作面布置方式，工作面长度140 m．各煤岩层的具体力学参数见表1．

2 模型的建立

以开采工作面上下各煤岩层参数为模板，采用多分层顶板模型，建立了工作面沿走向和倾向模型。假定开采工作面周围煤岩层力学特性均为韦伯分布，破坏准则选用修正的莫尔－库仑准则，各煤岩层的特性参数见表1.走向模型的宽高之比为2∶1，其模拟的尺寸大小为100 m×50 m，被分为200×200个小单元，模型上边缘施加均布载荷，加载力的大小为11.8 MPa，模拟工作面每次开挖步距均为4 m，分10步开挖。倾向模型的高宽之比为1∶1，其尺寸为200 m× 200 m，共划分为200×200个单元，采用载荷加载的方式模拟上部荷载，加载量为10 MPa，工作面长度为140 m．沿走向分析模型和沿倾向分析的模型见图1.

表1 岩块力学参数表

图1 数值计算模型图

3 模拟结果分析

3.1 工作面沿走向覆岩活动规律

通过模拟可以得出，工作面上部直接顶的初次垮落步距为20 m，工作面上部基本顶的初次来压步距为36 m．掌握工作面充分采动后采场上部岩层的活动范围及规律，可为工作面采场支护的合理性提供理论依据。工作面回采后其上部岩层在采动后的变形及破坏情形见图2．

图2 采场上覆岩层充分采动后的破坏情形图

从图2可以看出，当回采工作面推进达到一定距离后，上覆岩层实现充分活动，直接顶岩层会垮落并直接作用在采场支柱上。其厚度大约为5～6 m，同时，由于直接顶岩层节理裂隙的存在，其最大垮落分层的厚度大约为1.52m．一般来说，垮落带位于煤层顶板约为3～5倍采厚位置处，而模拟结果与现场实际相吻合［2］．

3.2 工作面沿倾向覆岩活动规律

通过模拟得到了工作面沿倾向直接顶与基本顶的破坏情况，见图3，图3中的灰度值表示岩石的受力状态，灰度值小的区域为岩石受剪应力集中区域，灰度值大的区域为岩石受拉应力集中区域。

图3 工作面沿倾向顶板垮落状况图

由图3可以看出，由于煤层采高较小，倾角不大，直接顶垮落后基本能充填满采空空间，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤层倾角的存在，导致从采空区中部偏上开始，裂隙带的范围从工作面上部到下部出现不对称性，形状呈不对称拱形，顶板上部岩层将以弯曲拱的形式向下移动。

同时，为了更加详细地了解工作面的冒落带、裂隙带的分布范围，以便工作面控顶设计时取值的合理有效［3］，对工作面中上部上覆岩层40 m范围内布置测线，测量其位移量，综合分析得工作面上覆岩层位移情况见图4.

图4 工作面上覆岩层位移情况图

由图4可以看出，煤层倾角为30°时，工作面上部岩层垮落带位于距煤层顶板6m位置，裂隙带位于距煤层顶板14 m位置处。裂隙带以上为弯曲下沉带，弯曲下沉带对工作面控顶设计影响较小，这为工作面的控顶设计提供了依据。

4 工作面顶板压力的确定

以往工作面顶板压力的计算，可用以下经验估算法得出，即顶板压力大小约等于4～8倍采高岩石的重量［4］．但对于倾斜薄煤层赋存情况而言，由于其特殊的地质条件，以上经验公式用于计算基本顶压力显然不合理。因此，由上节模拟结果得，弯曲下沉带位于距煤层顶板14 m以上位置处，而弯曲下沉带对工作面控顶设计影响较小，工作面设计的控顶位置应该位于弯曲下沉带下方，即控制0.4 m粉砂岩、6.9 m中砂岩、6.5 m砂岩，共计13.8 m厚的岩层。

其顶板压力为:

式中:

γi—各岩层的容重，kN/m3;

hi—各岩层的厚度，m．

将现场数据代入上式计算得出的顶板压力为: 321.1 kPa．

在进行工作面控顶设计时，需首先考虑施加在支柱上部的顶板压力，再按照相关规定及现场实际要求选取或者计算得出工作面支柱的初撑力，进一步计算得出工作面支柱的实际密度［5］．因此，顶板压力的确定为工作面的合理控顶设计提供了基础。

5 结论

1)工作面上部直接顶的初次垮落步距为20 m，工作面上部基本顶的初次来压步距为36 m．当回采工作面推进达到一定距离后，上覆岩层实现充分活动，直接顶岩层会垮落并直接作用在采场支柱上，其厚度大约为5～6 m．

2)工作面煤层采高较小，直接顶垮落后基本能充填满采空空间，且工作面上部垮落矸石不易下滑。但是，由于煤层倾角的存在，导致工作面中、上部的顶板岩层拉应力较集中，运动较为激烈，下部较缓和。因此，工作面控顶设计时应按工作面上部岩层的赋存条件进行考虑。

3)由于工作面倾角较大，顶板压力的计算不能以经验公式(即相当于采高4～8倍岩柱的重量)来计算。由模拟结果得出:工作面控顶设计的控制范围为位于直接顶的0.4 m粉砂岩、6.9 m中砂岩、6.5 m砂岩下分层，共计13.8 m厚的岩层，得顶板压力为321.1 kPa．

［1］钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003:24－25.

［2］赵玉林，姜恒本，耿彦春．大倾角薄煤层工作面走向长壁回采工艺［J］．煤炭技术，2002(7):31－32.

［3］LIT，CAIM F，CAIM．A review ofmining－induced seismicity in China［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44 (8):1149－1171.

［4］余国峰，薛俊华，袁瑞甫．远距离保护层开采卸压机理数值模拟分析［J］．煤矿安全，2007(11):5－8.

［5］刘林．下保护层合理保护范围及在瓦斯卸压抽采中的应用［D］．中国矿业大学博士论文，2010(4)．

Determ ination of Roof Pressure in Inclined Thin Seam M echanized M ining Face

W ANG Zhongguo

Aiming at the problem of inclined thin seam mining，a coalmine working face is as the background， utilizes RFPA2D(Rock Fracture Analysis)software，analyzes the overlying strata activity rule and displacement sutiation．Obtains the overlying strata activity rule，overlying strata stress and displacement evolution rules in inclined thin seam．Through the numerical simulation results obtains the determinationmethod of roof pressure in work surface roof control design，it provides the evidence for roof control design of working face．

Inclined Thin Seam;Overlying strata activity rule;Roof pressure;Roof control design

TD323

B

1672－0652(2015)09－0048－03

2015－08－12

王仲国(1972—)，男，山西朔州人，2014年毕业于东北大学，工程师，主要从事煤矿技术管理工作(E－mail)502975065@qq．com