大采高综采面坚硬顶板破断特征相似模拟研究

魏 磊

(山西煤炭运销集团 神农煤业有限公司，山西 高平 048400)

长期以来，煤炭一直是我国的主体消费能源，虽然国家大力推行能源结构转型，但是短期内，煤炭的主体消费能源地位不会改变，随着科学技术的不断进步，煤矿采掘设备与开采技术不断发展，综合机械化采煤工艺开始兴起，由于其具有良好的安全性能、快速的开采进度以及较高的可靠性，目前已经广泛应用于我国大、中、小煤矿开采[1-2]。虽然综采工艺已广泛应用，当煤层顶板赋存坚硬岩层时，由于综采工艺其推采速度较快，短时间形成大范围的空顶，当坚硬顶板岩层突然破断，极易造成工作面形成冲击气压，造成工作面灾害性事故的发生，尤其当采高较大时，该类隐患更为突出[3-5]。神农煤业15102工作面开采15号煤层，煤层顶板赋存坚硬岩层K2灰岩，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚层状，沉积稳定，层理结构，在邻近工作面开采时，顶板岩层周期来压强度较大，造成了工作面出现压架现象，表明了支架选型和开采工艺不合理，直接影响到工作面的安全高效开采。为此，本文以该工作面为工程背景，采用相似模拟的方法，研究神农煤业大采高综采面覆岩破断特征，为工作面开采工艺和支架选型提供参考，可指导坚硬顶板下煤炭资源的安全高效回采，具有一定的指导意义。

1 工程背景

神农煤业15102工作面位于井田一采区南部，工作面开采15号煤层，地面标高+1 006～+1 066 m，工作面位于一采区南部，北部为15101综采工作面；南部未开采；东面80 m为F1断层；南部为实体煤；西部依次为一采区轨道大巷、一采区胶带大巷、一采区回风大巷，煤层结构简单，煤厚相对稳定，局部含一层夹矸，平均煤厚为4 m，煤层倾角+2°～-6°，老顶为K2灰岩，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚层状，沉积稳定，层理结构，局部裂隙较发育，厚度变化不大，直接顶为泥质灰岩，厚度0.6～0.8 m，黑灰色，层状结构，沉积稳定，含少量植物化石，质地坚硬；直接底为泥岩、粉砂质泥岩，厚度0.1～0.3 m，灰黑色，层理结构，质地较松软，老底为砂质泥岩、粉砂岩，厚度3.35～10.28 m，含少量黄铁矿结核，质地较松软。

2 大采高综采面覆岩破断特征

为研究大采高坚硬顶板破断特征，基于工作面生产地质条件，采用相似模拟的方法，建立大采高坚硬顶板开采模型。相似模拟实验中，自左侧20 cm处开始做切眼，图1中(a)～(j)分别给出了推采35 cm、45 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、110 cm和120 cm时，对应的工作面顶板覆岩破断特征。

随着工作面的不断推采，采空区顶板岩层悬露跨距逐渐增加，覆岩载荷开始作用至顶板岩层，当其达到岩层自身承载极限时，顶板岩层出现初次破断，基本顶及其上覆岩层出现下沉现象。由图1可知，基本顶岩层初次破断发生在工作面推采30 cm时，初次垮落步距25 cm，垮落带高度3.1 m，是采高的0.7～0.8倍，随着工作面的不断推移，基本顶岩层开始出现周期性垮落破断，即周期来压现象，当工作面推采至40 cm时，工作面基本顶岩层出现整体破断现象，上覆岩层出现离层现象。此时，顶板垮落大高度约为4.3 cm，工作面推采至50 cm时，采空区顶板岩层大范围破断，基本顶垮落长度近60 cm，垮落高度近10 cm，是采高的2.4～2.5倍，此时工作面处岩层垮落角为59°，切眼处垮落角为52°。

图1 不同推采进尺对应的顶板覆岩破断特征

当工作面继续推采至60 cm时，采空区覆岩再次出现破断现象，顶板岩层离层加剧，出现纵横向破断裂隙。同时，工作面后方覆岩出现斜切垮落，表明上覆岩层失稳破断，向下传递覆岩应力，造成区域应力集中现象，此时上覆岩层垮落长度大30.1 cm，垮落高度为18.1 cm，是采高的4.4～4.5倍，顶板坚硬岩层绝大部分已垮落破断，工作面处覆岩垮落角约为54°。

当工作面继续推采70 cm时，工作面上覆岩层整体性出现大面积破断下沉，此时上覆岩层垮落高度大31.3 cm，是采高的7.8～7.9倍，上覆岩层离层区范围大大增加，裂隙长度增加至30.0 cm，并在持续向上发育，由于上覆岩层的整体性垮落破断，压密闭合了低位岩层离层裂隙，工作面处覆岩垮落角约为61°。

当工作面继续推采80 cm时，工作面高位覆岩出现大范围变形破坏，构成弯曲下沉带，同时离层裂隙继续发育，裂隙发育长度达32.0 cm，其延伸范围同步增加，工作面后方垮落岩块开始逐渐充实采空区，后方采空区低位覆岩逐渐区域平衡，此时，采空区覆岩垮落高度为44.2 cm，是采高的11.0～11.5倍，工作面处覆岩垮落角约为62°。

当工作面继续推采90 cm时，工作面后方垮落岩块充实采空区，垮落带及低位裂隙带岩层层间裂隙逐渐闭合，但其高位覆岩出现层状垮落，横向裂隙发育长度达30 cm，顶板岩层周期性垮落。此时，采空区覆岩垮落高度为48.9 cm，是采高的12.0～12.5倍，工作面处覆岩垮落角约为62°。

当工作面继续推采100 cm时，高位覆岩层间裂隙继续发育，横向裂隙发育长度达42.7 cm，裂隙离层间距大2.3 cm，并继续向上发育，低位覆岩层间裂隙闭合，坚硬基本顶已完全垮落，采空区逐渐压密充实。

当工作面继续推采110 cm时，高位覆岩裂隙充分发育，出现大范围弯曲下沉，此时，采空区覆岩处于“稳定-失稳-再稳定”的形态。当工作面继续推采120 cm时，工作面推采结束，覆岩应力充分传递至顶板岩层，整体岩层垮落形态近似对称分布，在工作面端头形成传递岩梁结构。

综上所述，在大采高综采面覆岩破断特征研究中，顶板岩层初次破断后，基本顶及其上覆岩层出现下沉现象，低位岩层逐渐出现离层，顶板岩层初次破断长度为25 cm，周期来压步距为 10～15 cm，工作面推采结束后，采空区岩层垮落形态近似对称分布，在工作面端头形成传递岩梁结构，即在工作面端头形成支承应力，一定程度上造成端头应力集中现象明显，应注意加强矿压观测和端头支架的选型。

3 结 语

大采高综采面推采速度快，易造成采空区坚硬顶板大面积垮落、覆岩活动剧烈。研究表明，随着工作面的不断推采，覆岩载荷开始作用至顶板岩层，顶板岩层初次破断后，基本顶及其上覆岩层出现下沉现象，低位岩层逐渐出现离层，随着推采距离的增加，垮落岩块充实采空区，低位岩层层间裂隙逐渐闭合，高位覆岩出现离层现象，并产生层状垮落，采空区覆岩始终处于“稳定-失稳-再稳定”的形态，工作面推采结束后，采空区岩层垮落形态近似对称分布，在工作面端头形成传递岩梁结构，研究成果为神农煤业15102工作面开采工艺和支架选型提供参考。