“两硬”条件下采场覆岩运动规律的研究

刘大江 张文阳

(1.同煤集团晋华宫矿，山西省大同市，037016；2.同煤集团生产技术处，山西省大同市，037017)



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“两硬”条件下采场覆岩运动规律的研究

刘大江1张文阳2

(1.同煤集团晋华宫矿，山西省大同市，037016；2.同煤集团生产技术处，山西省大同市，037017)

本文以“两硬”特殊开采条件为研究对象，通过数值模拟分析此类条件下采场的上覆岩层破坏区域特征、应力分布特征和煤层顶板稳定性特征，并结合工程实践验证该条件下工作面两巷受力变形情况。实践表明，地应力越大，越容易造成坚硬顶板的悬顶现象；“两硬”大采高条件下超前支承压力比普通采场峰值影响范围大、集中系数高。

“两硬”条件 覆岩运动规律 数值模拟 工程实例

“两硬”主要是指顶板、煤层两者硬度均较大，“两硬”大采高条件下的顶板管理是大同地区侏罗系煤层开采过程中存在的难题，该条件的工作面顶板破坏呈以下特点：强烈的初次来压和周期来压、超长来压步距和极大悬顶面积、较大的冒落高度、较大的顶板下沉量以及异常的矿压显现等。因此常用的覆岩形成结构理论，如压力拱假说、铰接岩块假说、“砌体梁”理论、岩板理论等已不能单独用来研究“两硬”条件下顶板的稳定性，本文以同煤集团云冈矿8623工作面地质条件为基础，综合多种覆岩结构理论对“两硬”条件下采场覆岩运动规律及控制技术进行分析研究。

1 理论分析

“两硬”大采高条件下采场上覆岩层有以下运动规律：

(1)采场没有直接顶，不同于传统综采工作面的直接顶能够在采空区形成随采随冒，“两硬”条件下工作面的顶板突然失稳后，悬顶会大面积瞬间垮落堆积于采空区，且失稳的岩石块体不发生破碎。

(2) 采场没有传统意义上的基本顶。上覆悬露岩层在煤壁上方断裂，失去与前方岩层的联系，不能够有效地传递前方力的作用，不能形成传递力的传递岩梁。

(3) 上覆悬露岩层不是弯曲变形下沉垮落的破坏过程，而是急速突变的瞬间失稳过程。当悬露垮度未达到极限跨度时，上覆岩层位移较小；当悬露跨度达到极限跨度时，上覆岩层会发生突然失稳垮落。

(4) 若工作面采高较大，上覆悬露岩层在发生突然失稳垮落时会形成较危险的冲击动载，造成压架事故。

(5) 上覆悬露岩层在发生突然失稳垮落前，是水平悬臂梁，上覆岩层所施加的力由采场支架承担；上覆悬露岩层在发生突然失稳垮落后，垮落的整体岩块前段位于支架上，后端位于采空区，上覆岩层所施加的部分力由采场支架承担。

2 数值模拟

“两硬”大采高工作面顶板管理的影响因素较多，因此在模拟过程中除了要分析不同的顶板岩性和地质构造外，还应考虑不同地应力对采场上覆岩层运动规律的影响。本文主要针对水平应力对围岩运动规律的影响进行模拟，即模拟在施加与不施加水平构造应力的条件下，分析原始应力场与采动应力场的相互作用，并与未考虑原始应力场的上覆岩层破坏特征进行对比，得出“两硬”大采高条件下上覆岩层的地应力演化规律和矿压显现范围等。

应力场考虑静力场和水平地应力，将各岩层定义为接触连续均匀介质。模型上边界施加垂直方向载荷(σ=γh=2200 N/m3×121.3 m)，模型总共12000个单元，203432个节点，如图1所示。

图1 三维模型图

2.1 水平应力场分析

工作面推进50m、200m时水平应力分布情况分别见图2、图3。分析图2、3可看出：

(1)由于煤岩体的抗拉强度远小于煤体的抗压强度，煤岩体中处于拉应力的区域为最容易破坏的区域。工作面顶板如果处于此区域，最容易发生冒顶、垮落。

图2 工作面推进50 m时水平应力分布云图

图3 工作面推进200 m时水平应力分布云图

(2)随着采煤工作面的不断向前推进，工作面超前支撑压力的峰值和影响区域同时向前移动。

(3)模拟中无论施加地应力与否，工作面顶底板均出现应力集中现象。在相同推进距离条件下，未施加水平地应力比施加水平地应力时，两帮应力集中程度和上覆岩层受拉程度要大。在施加水平地应力条件下，工作面顶板易形成稳定平衡结构。由此可以看出水平地应力有利于工作面顶板的稳定。

2.2 塑性破坏区分析

工作面推进50m、200m时塑形破坏区分布情况分别见图4、图5。分析图4、5可看出：

图4 工作面推进50 m时塑性破坏区分布图

图5 工作面推进200 m时塑性破坏区分布图

(1)未施加水平构造应力时，采场直接顶以张拉破坏为主、基本顶以剪切破坏为主。当工作面推进200m时，破坏范围为煤体上方75m左右，破坏形状为拱形—马鞍形—拱形。

(2)施加水平构造应力时，采场上覆岩层的塑性破坏区域减小，煤体上方仅直接顶受到张拉破坏，可见水平构造应力更容易稳定采场上覆岩层结构。

(3)在同一推进距离下，施加水平构造应力比未施加水平构造应力情况下的覆岩塑性破坏区域、两帮应力集中现象和采空区上方岩体受拉程度都明显减小，说明地应力越大，越容易造成坚硬顶板的悬顶现象，顶板越不容易断裂，越容易引起采场顶板事故。

3 工程实践

云冈矿8623工作面倾向长120m，走向长1740m，近水平煤层，平均埋深为320m，煤层平均厚度为6.47m，上覆岩层的结构参数如下：

(1)煤层上部深灰色砂质页岩，平均厚度为0.9m，随采随冒，对上覆岩层运动、初次来压及周期来压基本没有影响。

(2)页岩上部的灰色细砂岩，平均厚度为2.3m，是影响采场支架稳定性的首个关键性岩层，对采场上覆岩层运动、初次来压及周期来压有明显影响。

3.1 支承压力实测测点布置

在运输巷中安装煤体应力测点对回采工作面支承压力进行观测，如图6所示。测点距回采工作面170m以上，共施工6个钻孔，每个钻孔安装一个传感器，钻孔间距1m，深度分别为5m、10m、15m。测试时间为54d，期间工作面推进178.3m。

图6 支承压力测点布置图

3.2 支承压力实测测点布置

通过钻孔应力计对距巷帮不同深度煤体的应力进行监测，后期对有效监测数据进行整理和分析得出曲线图，如图7、图8和图9所示。

图7 1#传感器压力曲线图

图8 2#传感器压力曲线图

图9 5#传感器压力曲线图

分析上图可以看出：

(1)“两硬”大采高条件下超前支承压力比普通采场峰值影响范围大、集中系数高，回采工作面超前支承压力明显影响范围为14.8～19m，最大影响范围为90m；超前支承压力最大值位于煤壁前方2.1m，峰值影响范围为11.8m。

(2)由于煤体硬度较大，因此在煤层内没有明显的内应力场，煤体处于弹性状态。只是在煤壁边缘出现2m范围的塑性区，塑性区是引起“两硬”大采高条件下煤壁片帮的主要原因。

(3)距离巷道壁5m、10m、15m的区域均有压力高峰值，并且在5m的浅部测点没有表现出下降趋势，表明距离煤壁5～15m范围内是超前支承压力高峰影响区，且处于此区域的煤体为弹性状态。

4 结论

本文分析介绍了“两硬”大采高条件下采场上覆岩层的运动演化规律、孕灾机理以及相关的结构模型，设计并实施了采场覆岩控制技术，得到以下结论：

(1)在同一推进距离下，施加水平构造应力比未施加水平构造应力情况下的覆岩塑性破坏区域、两帮应力集中现象和采空区上方岩体受拉程度都明显减小，说明地应力越大，越容易造成坚硬顶板的悬顶现象，顶板越不容易断裂，越容易引起采场顶板事故。

(2)“两硬”大采高条件下超前支承压力比普通采场峰值影响范围大、集中系数高，8623回采工作面超前支承压力明显影响范围为14.8～19m，最大影响范围为90m；超前支承压力最大值位于煤壁前方2.1m，峰值影响范围为11.8m。

(3)距离巷道壁5m、10m、15m的区域均有压力高峰值，并且在5m的浅部测点没有表现出下降趋势，表明距离煤壁5m～15m范围内是超前支承压力高峰影响区，且处于此区域的煤体为弹性状态。

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(责任编辑 郭东芝)

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Research on movement law of overlying strata in mining face with hard coal and hard roof

Liu Dajiang1, Zhang Wenyang2

(1.Jinhuagong Mine, Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037016, China; 2.Production and Technology Department, Datong Coal Mine Group, Datong, Shanxi 037017, China)

Taking special mining conditions of hard coal and hard roof as research object, the characteristics of overlying strata regional failure, stress distribution and coal seam roof stability at mining face with the special conditions were analyzed by numerical simulation, and combined with engineering practice, the roadways' bearing and deforming behaviors under the conditions were verified. The practice results showed that the greater crustal stress was easier to cause the hard roof's overhang phenomena, and peak of advanced support pressure at the face with hard coal and hard roof had larger influence range and higher concentration coefficient.

conditions of hard coal and hard roof, overlying strata movement law, numerical simulation, engineering practice

刘大江，张文阳. “两硬”条件下采场覆岩运动规律的研究[J].中国煤炭，2017,43(4)：75-78. Liu Dajiang, Zhang Wenyang. Research on movement law of overlying strata in mining face with hard coal and hard roof[J]. China Coal, 2017, 43(4):75-78.

TD325

A

刘大江(1984-)，男，江苏泗洪人,硕士,工程师,同煤集团晋华宫矿副总工程师,从事煤矿开采技术方面的研究。