店坪煤礦薄基巖頂板破壞規(guī)律研究

郭 暉，王 鵬

（1.山西焦煤集團霍州煤電有限責任公司 店坪煤礦，山西 方山 033102；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 03002）

店坪煤礦薄基巖頂板破壞規(guī)律研究

郭 暉1，王 鵬2

（1.山西焦煤集團霍州煤電有限責任公司 店坪煤礦，山西 方山 033102；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 03002）

針對店坪煤礦煤層上覆基巖超薄、且自穩(wěn)性能差、承載能力弱、工作面頂板管理難等特點，以5302首采工作面實測礦壓資料為依據(jù)，并利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對工作面推進中不同層位的頂板進行了模擬；最終分析了工作面回采過程中上覆巖層移動、破壞演化的機理，為工作面的安全高效生產(chǎn)提供了依據(jù)。

薄基巖；覆巖破壞；數(shù)值模擬；來壓步距

煤炭開采會使頂板巖層在自重及上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲，當其內(nèi)部應力超過巖層自身的抗拉強度極限時，直接頂會發(fā)生斷裂、破碎、冒落；老頂巖層以梁彎曲的形式，沿層理面法線方向移動、彎曲，進而離層、斷裂。頂板基巖薄，在我國榆神、神東煤田普遍可見，近年來對工作面頂板結構及活動規(guī)律有了不少研究；而在晉西北頂板基巖薄、斷裂時有其獨特性，因此研究薄基巖的礦壓顯現(xiàn)及上覆巖層破壞活動規(guī)律，對店坪煤礦頂板管理具有重要意義。

1 工作面的概況

店坪煤礦位于山西呂梁，現(xiàn)主采5號煤層，5302回采工作面位于5號煤三采區(qū)左翼，采用單一傾向長壁后退式綜采工藝、全部跨落法管理采空區(qū)頂板。工作面選用MG400/930-WD型雙滾筒無鏈電牽引采煤機落煤，循環(huán)進度0.8m，雙螺旋葉片與滾筒裝煤；工作面選用SGZ880/800型刮板輸送機，順槽選用一部SZZ-1000/375型轉(zhuǎn)載機、一部SSJ1000/2×160型膠帶輸送機運煤。該面東至井田東部風氧化帶，西與900水平南翼皮帶巷相通，南與5304工作面（未掘進）相鄰，北至工業(yè)廣場煤柱，是三采區(qū)第一個回采面。

5302回采工作面5號煤層較穩(wěn)定厚度，為2.1 m～2.7m，均厚2.4m，偶含兩層夾矸，該面采高2.4 m，煤層傾角0～7°；直接頂為黑色砂質(zhì)泥巖，自上而下砂量逐漸減少，底部近似泥巖，水平層理明顯，層面光滑，厚度為1.6m～2.9m，均厚2.6m；老頂為深灰色中砂巖，上為4號下煤，厚度為1.6m～2.8m，均厚2.2m。直接底為砂質(zhì)泥巖及細砂巖，上為砂質(zhì)泥巖，往下沙粒逐漸增多，含大量的根部化石塊狀，厚度為2.5m～4.3m，均厚3.4m；老底為細砂巖，含大量的暗色礦物，厚度為1.4m～2.2m，均厚1.8m。

2 采空區(qū)上覆不同層位的頂板數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

為了分析5302工作面回采時上覆不同層位的巖層跨落規(guī)律，建立了模擬計算的FLAC3D三維模型。模型走向長度300m、傾向長度200m，模型高度12.4m，工作面長度200m。為了避免計算時模型邊界的影響，模型方向兩邊各留50m的煤柱，模型方向兩邊各留50m的煤柱；模型由82500個單元組成，邊界條件采用位移約束，模型左右邊界方向速度為0，前后邊界方向速度為0，底邊界固定約束，上邊界為自由邊界，施加上覆巖層的自重載荷5 MPa。圖1為采場工作面水平剖面圖，表1為煤巖層力學參數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬結果分析

從圖2和圖3看出，隨著工作面的推進，采空區(qū)空間不斷增大，上覆不同層位的頂板會出現(xiàn)應力集中區(qū)和應力卸載區(qū)。采空區(qū)上覆巖層中，靠近工作面前方的頂板中出現(xiàn)明顯的應力集中，而在采空區(qū)對應的正上方巖層中出現(xiàn)應力降低；且隨著工作面的向前推進，這種增大和降低的趨勢愈加明顯；不僅垂直應力，而且水平應力也出現(xiàn)應力集中區(qū)域和應力降低區(qū)域。

圖1 模型水平剖面圖

表1 煤巖體力學參數(shù)

圖2 工作面推進18m時的采場圍巖支承壓力分布

圖3 工作面推進24m時的采場圍巖支承壓力分布

當工作面推進10m時，只有直接頂偏下部位出現(xiàn)拉應力區(qū)域，且最大拉應力達到3.52MPa，超過了直接頂本身的抗拉極限強度3.2MPa，此時會在直接頂中部的最下層位出現(xiàn)彎拉裂隙，但由于只是在直接頂最下部破壞，因此不會造成直接頂?shù)恼w破壞；對老頂而言，由于煤層的開挖，在垂直層面上會產(chǎn)出彎曲下沉，垂直應力降低到2.9MPa；而在水平層面上產(chǎn)生擠壓，水平應力增大到5.66MPa。當工作面推進到14m時，直接頂上部拉應力達到3.36 MPa，此時也超過了直接頂本身的抗拉極限強度3.2 MPa，最終導致整個層位的直接頂產(chǎn)生拉破壞，而在深入煤壁附近的直接頂兩端會產(chǎn)生剪切破壞，最終造成直接頂垮落，跨落步距10m～14m，老頂垂直應力繼續(xù)減小，達到了2.49MPa，水平應力繼續(xù)增加到6.72MPa。當工作面推進24m時，煤壁附近的頂板拉應力此時達到3.42MPa，超過了其抗拉強度，因此頂板會在煤壁附近發(fā)生拉伸破壞，即上覆頂板發(fā)生周期跨落，來壓步距約8m～10m。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

為了分析5302工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，該礦首采工作面布置了7個測點，即20號、40號、60號、80號、100號、120號、140號，見圖 4。

圖4 液壓支架阻力測定儀布置示意圖

觀測時間從2011年5月2日到2011年5月8日結束。以實測支架循環(huán)末阻力峰值為頂板的來壓步距，來壓步距參數(shù)，如表2所示。

表2 5302綜采面基本頂來壓步距

根據(jù)支架支護阻力圖確定5302綜采工作面基本頂初次來壓約14.0m，周期來壓步距為10.8m，且歷次來壓時和來壓前支護阻力的比值（即動壓系數(shù)）都大于1，頂板來壓強度平均阻力動壓系數(shù)為1.025。

4 結論

(1)由于頂板基巖薄，因此工作面推進距離不是很大時，頂板就會發(fā)生跨落，而且由于巖性的不同，當直接頂破斷后，老頂會產(chǎn)生彎曲下沉，在垂直層面上出現(xiàn)卸壓的趨勢，在水平層面上相對擠壓，呈現(xiàn)應力集中趨勢。(2)從數(shù)值模擬結果來看，上覆頂板初次跨落的步距在10m～14m，周期來壓步距約8m～10m；而實際觀測頂板初次來壓步距13.8m，周期來壓步距為10.8m，而且礦壓顯現(xiàn)不是很明顯，實測結果基本與模擬結果相吻合，這說明模擬結果可作為實際來壓步距的參考。

[1] 吉育兵，楊偉峰，趙國榮，等.煤層開采覆巖破壞與地表變形規(guī)律的數(shù)值模擬[J].煤炭技術，2010，29(8)：61-63.

[2] 王林海.淺埋深薄基巖較薄煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].西部探礦工程，2009，10：147-149.

[3] 伊茂森，張日晨.薄基巖淺埋煤層工作面頂板來壓過程研究[J].煤炭開采，2008，13(2)：81-82.

[4] 吳玉華.超薄基巖采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與調(diào)控技術研究[J].安徽理工大學學報，2006，26(2)：12-16.

[5] 李剛，梁冰，李鳳儀.淺埋煤層厚積砂薄基巖頂板破斷機理研究[J].中國礦業(yè)，2005，14(8)：82-83.

Study on Thin Bedrock Roof Failure in Dianping M ine

GUO Hui1,WANG Peng2
(1.Dianping Mine,Huozhou Coal Electricity Co.,Shanxi Coking Coal Group,Fangshan Shanxi033102；2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

In view of super-thin overlying bedrock,poor self-stability,weak carrying capacity,difficult roofmanagement of working faces in Dianpingmine,the study bases on pressuremeasured on 5302 first mining face and then uses FLAC3D to simulate roofs on different levels during the driving.At last,the overlying bedrockmovementand damage evolutionmechanism are analyzed to provide the evidence for safe and efficient production.

thin bedrock;overburden failure;numerical simulation;pressure step

TD325+.1

A

1672-5050（2011）09-0024-03

2011-04-12

郭 暉（1986—），男，山西呂梁人，大專，從事煤炭技術管理工作。

劉新光