大倾角煤层大采高工作面顶板垮落规律研究

伍永平，武永强，解盘石，胡晋林，高 凯

(1.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

矿山压力与灾害控制

大倾角煤层大采高工作面顶板垮落规律研究

伍永平1，2，武永强1，2，解盘石1，2，胡晋林1，2，高 凯1，2

(1.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

为了深入研究大倾角厚煤层大采高工作面顶板垮落特征，理论计算了25213大倾角大采高工作面顶板各岩层载荷，并采用理论分析、相似材料模拟实验和FLAC3D数值模拟相结合的方法，研究了25213工作面顶板垮落规律，初步确定了25213工作面直接顶初次垮落步距24m左右，基本顶初次垮落步距57m左右，基本顶周期垮落步距24m左右，对工作面后期的安全回采和矿压控制具有重要的借鉴意义。

大倾角；大采高；顶板垮落规律；数值模拟；周期垮落步距

大倾角煤层一般是指倾角为35～55°的煤层[1]。在我国已探明大倾角煤层储量有3600多亿吨，其中厚煤层占60%以上[2]。而大倾角大采高工作面由于同时具有倾角大、采高大的特点，使得该类工作面的开采条件和顶板垮落方式较近水平大采高工作面更独特、更复杂[3]。近年来，很多科研工作者及工程技术人员开展了大倾角厚煤层大采高工作面上覆岩层垮落特征及矿压显现规律的研究。肖策[4]通过现场实测研究了大倾角大采高工作面顶板矿压显现规律；樊银辉等[5]采用现场实测和理论计算相结合的方法，研究并得出了大倾角工作面难垮落顶板运动规律；张金山等[6]采用数值模拟与现场监测相结合的方法，研究了1604大倾角综放工作面矿压显现规律，确定了顶板垮落步距及来压动载系数等参数；赵元放等[7]采用数值模拟和现场实测相结合的手段研究了大倾角煤层开采顶板垮落特征及矿压显现规律；唐建新等[8]通过现场实测研究了代池坝煤矿大倾角煤层3(13)43工作面矿压显现规律与顶板垮落特征；王高丽等[9]运用相似材料模拟研究了大倾角厚煤层开采上覆岩层垮落特征和围岩应力分布规律。虽然国内学者在此方面的研究较为热衷，但综合性研究方法使用率较低且总体研究量较少。因此，采用多种方法综合研究大倾角大采高工作面顶板垮落规律以丰富大倾角厚煤层开采理论很有必要。

通过以上前人的研究可知，沿煤层倾向，大倾角煤层工作面各区域顶板垮落不同步，但垮落步距相差不大，而工作面中部区域矿压显现较为剧烈，是工作面管理的难点，这在很大程度上决定了整个工作面的安全开采。因此，本文以新疆焦煤集团25213大倾角大采高工作面为研究背景，以现有顶板垮落规律的理论成果为基础，采用理论计算、相似材料模拟实验和FLAC3D数值模拟相结合的方法，以分析研究该工作面中部区域顶板垮落规律为主，初步估算了工作面顶板垮落步距，以期为该工作面后期的矿压控制和安全回采提供借鉴。

1 工程地质条件

新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面主采5号煤，煤层结构复杂，回采范围内煤层厚度9.14～13.27m，平均10.98m。煤层顶部区域为煤矸互层，煤质较差；底部区域煤质较好，煤层厚度4.2～7.8m，平均5.4m，为实际开采煤层。煤层倾角35～43°，平均38°，埋深232～272m。直接顶以煤矸互层为主，单向抗压强度为24.2～76.5MPa；基本顶以灰白色粗砂岩和中砂岩为主，局部地段岩层间夹杂有薄层煤线，单向抗压强度为85.11～104.48MPa；底板较软，一般为灰褐色粉砂岩、炭质泥岩等，单向抗压强度为9.14～12.76MPa。25213工作面布置于5号煤层底部区域，工作面倾斜长度100m左右，走向长度1000m，采用综合机械化大采高方法开采，采高4.5m。

2 顶板岩层载荷计算

新疆焦煤集团25213大倾角大采高工作面顶底板及煤体的物理力学参数，如表1所示。

从表1可以看出，25213工作面顶板各岩层厚

表1 煤岩层分布及物理力学特性

度及岩性不同，因此需逐一计算各岩层所受载荷。

依据岩梁的经典覆岩载荷计算理论[10-11]，第i层岩层所受载荷按式(1)计算：

(1)

式中，(qn)i为考虑第i层岩层上方n层岩层时，对第i层岩层的载荷；Ei，…，Ei+n为各岩层的弹性模量；hi，…，hi+n为各分层厚度；γi，…，γi+n为各分层容重，其中i= 1，2，3，…。

当 (qi+n-1)i<(qi+n)i时，(qi+n)i就可以作为施加于第i层岩层上的载荷。

在考虑25213工作面倾角因素的情况下，通过表1和式(1)可计算出顶板各岩层载荷，具体见表2所示。

表2 顶板各岩层载荷

3 顶板岩层垮落规律

3.1 理论分析

顶板初次垮落步距是衡量顶板稳定程度的主要标志[12]。初次垮落步距有按“板”计算和按“梁”计算两种方法[13-14]。

根据煤层赋存深度及覆岩结构特征，本文主要选择按“梁”计算各岩层的初次和周期垮落步距，采用式(2)和式(3)进行计算：

(2)

(3)

式中，Li，Li周为第i层岩层初次和周期垮落步距；RT为第i层岩层抗拉强度。

顶板各岩层所处岩层层位、强度、厚度及载荷大小，决定了顶板岩层各层同步垮落还是逐次分层垮落[7，15]。

根据式(2)和式(3)可计算出25213工作面顶板各岩层初次及周期垮落步距，见表3所示。

表3 顶板各岩层初次和周期垮落步距

根据表3计算结果分析：

(1)工作面直接顶(煤矸互层)初次垮落步距为22.3m，当工作面推进22.3m时，首先垮落的是第1层夹矸，垮落高度为3m。

(2)由于L1≥L2，L1≥L3，L1≥L4，L1≥L5，说明第2～5层顶板随第1层顶板同步垮落，垮落高度为9.14m。

(3)当工作面推进至57.3m时，出现基本顶首次垮落现象，因此，可初步判定基本顶初次垮落步距为57.3m，周期垮落步距为23.3m。

(4)第1～5层顶板先垮落，继而是第6～7层顶板垮落，最后是第8～11层顶板垮落。由此可见，工作面顶板垮落呈现出逐次分层垮落的特征。

3.2 物理相似材料模拟实验分析

3.2.1 实验设计

实验根据相似定律，选取几何相似常数为100；容重相似常数为1.6；应力相似常数为160；载荷相似常数为1.6×106；时间相似常数为10。

相似材料选用合理配比的水、细砂、石灰和大白粉等混合物，不同岩性的岩层选取不同的相似材料配比。模型采取分层铺装的方式，并选用云母粉作为分层材料。模型铺设高度1.1m，需施加补偿载荷，补偿载荷采用实验室专用铁砖替代，且施加时需将煤层倾角因素考虑在内，本实验倾角影响系数取0.788。

模型实验台的尺寸为2.6m×0.2m×1.5m(长×宽×高)，模型尺寸为2.5m×0.2m×1.1m(长×宽×高)，如图1所示。

图1 相似模拟模型

模型中工作面的回采通过人工切割实现，由时间相似常数确定模型推进速度。模型开挖时，每次进尺2cm，即实际2m。实验过程中采用高清数码摄像机及盒尺对实验现象进行拍照量测，并采用图形处理软件对实验结果进行素描记录等。

3.2.2实验过程及分析

走向实验模型回采150cm，即实际150m，回采过程中，对25213工作面来压、顶板垮落高度及垮落角等进行了统计分析，见表4所示。

表4 工作面顶板垮落参数

沿走向，工作面推进75次，共计150cm。在工作面回采过程中，随着推进距离的逐渐增大，采空区顶板悬露尺寸也逐渐增大，当顶板悬露面积达到一定极限时，顶板断裂失稳，出现直接顶初次垮落现象，而后工作面继续推进，继而出现基本顶初次及周期垮落现象，如图2所示。

图2 工作面顶板垮落情况

工作面回采来压分析：模型中工作面两端各留设50cm长的煤柱，之后从模型右端开切眼，当工作面回采至27cm时，悬露顶梁断裂失稳，即直接顶初次垮落，如图2(a)所示。当工作面回采至58cm时，发生基本顶初次垮落，如图2(b)所示。当工作面推进至84cm时，上位顶板“二次断裂”，破断岩块沿工作面煤壁切落，即为首次周期来压，如图2(c)所示。当工作面推进至108cm时，顶板破坏向高位覆岩扩展，破坏范围明显增大，形成周期来压，如图2(d)所示。工作面继续回采，基本顶发生周期性垮落现象，垮落步距基本保持在24～26cm，平均24.6cm，推进至停采线时，顶板最大垮落高度31.9cm。整个回采过程中，切眼侧垮落角为54～55°，工作面侧垮落角为45～55°，采空区顶板岩体离层不断向更高位岩层发展，而下位岩层裂隙则产生闭合。

通过分析相似模拟实验结果可以判定，25213大倾角大采高工作面直接顶初次垮落步距约为27m，基本顶初次垮落步距约为58m，基本顶周期垮落步距约为24.6m。

3.3 数值模拟分析

3.3.1 模型建立

结合25213工作面顶底板及煤体的物理力学参数(见表1)，利用FLAC3D数值模拟软件对25213工作面顶板垮落状态进行数值模拟分析，并对该工作面直接顶初次垮落、基本顶初次及周期垮落情况进行初步判定。

模型尺寸为：长度(X)×宽度(Y)×高度(Z)=156.53m×180m×130.08m，模型中工作面斜长为100m，采高4.5m，留有0.9m的底煤，且沿走向和倾向各留设30m煤柱。模型四边和底界采用零位移边界条件，上部边界为自由边界，并施加补偿载荷5.4MPa。模型共划分452160个网格单元，472822个节点，具体如图3所示。

图3 数值模拟模型

3.3.2 模型计算过程及分析

25213工作面开挖过程中围岩塑性区分布云图如图4所示。

图4 煤岩层塑性区分布云图

工作面回采来压分析：当工作面推进约24m时，发生直接顶初次垮落；当工作面推进约56m时，基本顶完成了首次完整垮落；当工作面推进约80m时，发生基本顶再次垮落，即为周期垮落。根据分析结果可判定，基本顶周期垮落步距约为24m。

3.4 结果对照分析

将以上3种研究手段所得结果进行对比，见表5所示。

综合分析对比结果可得，25213大倾角大采高工作面直接顶初次垮落步距24m左右，基本顶初次垮落步距57m左右，基本顶周期垮落步距24m左右。

4 结 论

对新疆焦煤集团2130煤矿25213大倾角大采高工作面顶板各分层岩层载荷进行了计算，并利用理论分析、物理相似材料模拟实验和FLAC3D数值模拟3种方法对工作面顶板垮落规律进行了基础研究，初步得到了25213大倾角大采高工作面顶板垮落步距，即直接顶初次垮落步距24m左右。基本顶初次垮落步距57m左右，基本顶周期垮落步距24m左右，可为25213工作面后期的安全回采和矿压控制提供参考。

[1]伍永平，贠东风.大倾角综采支架稳定性控制[J].矿山压力与顶板管理，1999，16(3/4):82-85.

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[责任编辑：潘俊锋]

StudyingofRoofCollapseLawofLargeMiningHeightWorkingFaceunderLargeInclineAngleCoalSeam

WU Yong-ping1,2，WU Yong-qiang1,2，XIE Pan-shi1,2，HU Jin-lin1,2，GAO Kai1,2

(1.Key Laboratory of Education Ministry Western Mine Mining and Disasters Prevention and Control，Xi’an ，710054，China；2.Energy School，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

In order to deeply study of roof collapse character of large mining height working face under large incline angle coal seam,and every stratum loading of roof of 25213 working face with large mining height and large incline angle，and then theory analysis，simulation experiment and FLAC3Dnumerical simulation were applied，and roof collapse law of 25213 working face was studied，the initially collapse space of immediate roof of 25213 working face was 24m，the initially collapse space of main roof was 57m，periodic collapse span was about 24m，it references for safety mining and mine pressure control of working face.

large incline angle；large mining height；roof collapse law；numerical simulation；periodic collapse span

TD324

A

1006-6225(2017)05-0071-04

2017-07-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.018

国家自然科学基金重点项目(51634007)

伍永平(1962-)，男，陕西汉中人，教授，博士生导师，主要从事大倾角煤层开采研究工作。

伍永平，武永强，解盘石，等.大倾角煤层大采高工作面顶板垮落规律研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：71-74，56.