近距离煤层重复采动下坚硬顶板破断规律

张文宣

(陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719300)

0 引言

我国相当一部分煤矿开采均采用全部垮落法管理顶板，随着工作面向前推进采空区空间不断增大，同时顶板悬露面积增大直至垮落。对于坚硬顶板而言，顶板悬露面积过大，垮落后往往会带来工作面巨大冲击力和明显动载现象，易使工作面致灾，造成巨大的人员伤亡和设备损坏[1-5]。近些年，国内外学者对坚硬顶板破断规律的研究取得了众多成果。李青锋等[6]利用威震和支架矿压监测技术对工作面现场实测，通过分析确定了工作面周期来压步距。杨敬轩等[7]综合利用理论分析和现场实测的方法，对坚硬厚顶板来压特征进行分析，明确坚硬厚顶板拉应力和剪应力的分布情况，确定了顶板初次来压和周期来压步距。王开等[8]对于坚硬顶板对采场危害的特征，研究了工作面顶板的3种控制放顶方式和顶板周期破断的合理长度。鞠金峰等[9]对大柳塔浅埋煤层大采高工作面关键层“悬臂梁”结构运动综合采用现场实测、理论分析和模拟实验的方法进行研究，阐述了断面冒顶机理及其控制对策。顼建新[10]基于坚硬顶板综采工作面，研究了其覆岩应力分布规律、覆岩破坏规律，并对顶板初次来压和周期来压进行现场监测。王子升[11]综合运用数值模拟、现场实测的手段，对大采高工作面矿压规律分析，推断覆岩来压步距、来压强度，为工作面回采做好预测预报。李立杰等[12]对浅埋煤层大采高工作面矿压规律进行研究，说明“悬臂梁”和“砌体梁”结构的破断特征。CHEN Y等[13]对软媒、坚硬顶板以及变化的地质条件下，采用数值模拟和理论分析的方法研究煤层和顶板变形破坏特征，发现岩层破坏具有明显的分区。PAN C等[14]对特厚煤层开采中高位坚硬顶板引起的地面压力行为分析，提出了一种竖井分层压裂控制技术管理顶板。并建立了“coal wall-hydraulic support-gangue”支撑系统的力学模型，推导采场周期来压老顶破坏跨度。王海洋等[15]为揭示裂缝对坚硬顶板的破坏特征，对裂缝坚硬顶板破断步距进行理论分析，并结合数值模拟研究坚硬顶板破坏区域分布和破坏特征。

以上学者的研究，综合运用数值模拟、物理实验、理论分析和现场实测的方法，研究了坚硬顶板破断特征和顶板来压规律。基于此，以张家峁煤矿15210工作面为例，在工作面回采过程中，上下端头采空区存在悬顶面积过大，现为预防回采工作面两端头采空区顶板悬顶面积大垮落而产生冲击力，造成工作面设备损坏和人员伤亡。为此，综合运用数值模拟(UDEC)和理论分析的方法，研究重复采动大采高坚硬顶板破断规律，以期为现场矿压监测与分析提供依据。

1 工程概况

张家峁煤矿15210回采工作面位于5-2煤层，煤层厚度5.9～6.1 m，平均厚度6 m。煤层结构简单，倾角约为1.06°，垂直节理、裂隙发育，工作面推进长度1 857.21 m，切眼长度296.95 m。工作面无直接顶，基本顶为粉砂岩，厚度15.45 m，顶板岩石饱和抗压强度平均30 MPa，为较稳定顶板，工作面具体煤岩层如图1所示。

图1 煤岩层柱状图

2 数值模拟

为得到大采高工作面坚硬顶板垮落规律，现以张家峁煤矿15210工作面为工程背景，采用UDEC数值模拟软件再现煤层开采后顶板破坏全过程。

2.1 模型建立

基于UDEC数值软件，根据张家峁煤矿15210工作面煤岩体物理参数(表1)和节理物理力学参数(表2)，建立数值模型(图2)，模型尺寸160 m×65 m(长×高)。为消除边界效应，模型两边各留设40 m宽的煤柱，模拟工作面推进80 m，模型上方施加4.25 MPa的垂直应力以表示上方覆岩载荷。

表1 煤岩体力学参数

表2 节理物理力学参数

图2 数值模型

2.2 模拟结果分析

2.2.1 4-4煤层开采

如图3所示，当4-4煤层充分开采后，底板塑性破坏范围约9 m，图中可以看出该煤层开采围岩破坏范围并不会影响到下位5-2煤层及其顶板。

图3 4-4煤层开采围岩塑性区分布

2.2.2 5-2煤层开采

开采5-2煤层时，由于该煤层无伪顶和直接顶，因此随着煤层向前推进直接面临的是基本顶(粉砂岩)的断裂破坏，整个破坏过程如图4所示。

图4 5-2煤层顶板破断特征

如图4(a)所示，当工作面推进45 m时，顶板出现下沉，但未发生破坏。如图4(b)所示，当工作面推进50 m时，顶板发生断裂破坏，工作面基本顶初次来压，来压步距约50 m，同时开始形成砌体梁结构，覆岩产生较大的垂直位移量，且下沉明显。如图4(c)所示，当工作面推进55 m时，顶板持续下沉，并且在煤壁前方形成跨距约7 m的顶板悬露。如图4(d)所示，当工作面推进60 m时，砌体梁结构继续保持稳定，并且在煤壁前方形成跨距约12 m的顶板悬露。如图4(e)所示，当工作面推进65 m时，砌体梁结构失稳，工作面基本顶第1次周期来压，来压步距约17 m，此时顶板垮落至采空区形成“八字形”破坏，并且工作面后方覆岩受充分采动影响，已经开始稳定，减缓以至不再下沉。如图4(f)所示，当工作面推进70 m时，基本顶裂隙不断发育，并且形成约8 m的直接顶悬露。如图4(g)所示，当工作面推进75 m时，基本顶不断破坏，形成约12 m的顶板悬露。如图4(h)所示，当工作面推进80 m时，基本顶破断加剧，并且全部断裂，此时工作面出现二次周期来压，来压步距约15 m。

3 现场实测

在工作面回采过程中，通过对液压支架动态载荷阻力检测来判断工作面周期来压，并确定来压步距。如图5所示。

图5 2020年6月工作面周期来压步距

结合图5工作面周期来压步距，6月份工作面周期来压步距最大在6月19日，可达22.75 m；其次在6月22日，工作面周期来压步距可达20 m；而且来压步距大多保持在10 m以上，来压步距大，来压频繁。

4 结论

(1)近距离煤层间由于有坚硬岩层(粉砂岩)存在，因此上位煤层开采底板塑性区破坏范围不会波及到下位煤层。

(2)在开采5-2煤层时，由于煤层顶板为基本顶(粉砂岩坚硬顶板)，通过UDEC数值模拟计算基本顶初次来压步距约50 m，第1次周期来压步距约17 m，第2次周期来压步距约15 m。结合现场实测，周期来压步距保持在3～22.75 m范围内，验证了数值模拟的正确性，因此，通过该数值模拟可作为坚硬顶板周期来压步距的预测。

(3)根据数值模拟和现场实测的结果分析，可以得出工作面坚硬顶板具有来压步距大，来压频繁，顶板悬顶时间长等特点。