緩傾斜煤層綜采工作面覆巖運動規律及礦壓特征分析

崔慧斌

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031414）

0 引 言

隨著我國煤礦開采技術的逐漸發展，眾多學者為研究緩傾斜煤層煤巖體的受力情況及上覆巖層的運動情況，通過巖石力學彈塑性理論，通過觀察煤巖體受力過程中的應力應變情況，分析上覆巖層的運動規律，并在具體工程實踐中得到驗證[1]。如賈喜榮教授[2-3]認為巖層在受壓時，軟弱巖層會首先出現變形移動，并提出了煤巖體的“薄板礦壓理論”，認為軟弱巖層是導致覆巖產生變形破壞的主要原因；高云峰[4]運用數值模擬軟件對棗泉煤業的緩傾斜煤層的圍巖變形情況進行分析，得出錨索網等聯合支護形式下巷道會出現非對稱變形的情況，同時聯合支能夠有效的將破碎巖體與穩定巖體連接起來，形成“壓縮拱”結構，并通過現場礦壓觀測得到驗證；代沛[5]通過具體工程背景運用FLAC3D數值模擬軟件分析結合現場礦壓實測等綜合的研究方法，將緩傾斜中厚煤層回采過程中采動應力場進行時空劃分，并得出上覆巖層的運動規律。本文主要對李雅莊煤礦2-611綜采工作面上覆巖層的運動規律進行分析，通過建立數值模擬模型，得出工作面的初次來壓及周期來壓步距，來壓時的特征，并通過礦壓觀測得到驗證。

1 工程概況

霍州煤電李雅莊煤礦2-611工作面走向長度為1285m，傾斜長度為205m，主采2#煤層，煤層厚度為2.85～3.70m，均厚 3.27m，煤層傾角為 5°～12°，平均傾角為7°，屬于緩傾斜煤層。工作面位于355水平，基巖厚度為583m，煤層為復雜結構煤層，一般含1層夾矸，夾矸以泥巖或炭質泥巖為主。煤層直接頂為細粉砂巖，均厚2.77m，基本頂為中砂巖，均厚為6.85m，直接底為粉砂巖，均厚為1.69m，老底為泥巖，均厚為3.54m，煤層頂底板基本為軟弱巖層，工作面采用綜采采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工作面上覆巖層運動規律分析

2.1 數值模擬模型建立

根據2#煤層頂底板巖性及賦存條件，通過UDEC數值模擬軟件建立2#煤層頂底板力學模型，模型長200m，高78m，設計開挖高度為2m，模型的左右邊界條件為均為固支，根據2-611工作面地質資料，模擬使用的煤（巖）體物理力學參數見表1。

表1 2#煤層頂底板巖層物理力學參數

模型建立完后，工作面開切眼的位置距離模型左側邊界的距離為45m，模擬過程共推進85m，每次推進距離為5m，分別對工作面推進15m、25m、35m、45m時分別進行出圖具體分析上覆巖層的運動情況。

圖1 2-611工作面回采過程中覆巖運動情況

根據圖1（a）能夠得出，在2-611工作面推進15m后，直接頂與基本頂均已經全部垮落，且巖層破斷后已經對基本頂以上的巖層產生影響，導致其彎曲變形，在直接頂全部垮落后，破碎巖體充填采空區，基本頂在中部發生切落，且基本頂巖層在破斷同時會相互擠壓，形成砌體梁咬合結構，此時基本頂上覆巖層會彎曲向下變形，此時為工作面的初次來壓；從圖1(b)中能夠看出，當工作面推進25m時，基本頂及其上覆巖層會出現類似與圖1（a）所示的斷裂變形情況，裂隙在基本頂上覆巖層逐漸延伸，頂板懸露距離較短，則形成的短砌體梁結構出現滑落失穩，基本頂與直接頂一起充填采空區，上覆巖層至地表出現彎曲下沉現象，沉降約為0.25m，此時認為工作面周期來壓，來壓步距約為15m；當工作面推進35m、45m時，由圖1(c)、(d)能夠看出上覆巖層明顯呈現“兩帶”式分布，且隨著工作面的持續推進，上覆巖層會出現周期性的切落，彎曲下沉現象，故能夠得出2-611工作面上覆巖層隨著回采工作的進行呈現出周期性運動，且從分析知工作面來壓步距較短。

在模型建立時，通過在基本頂深3m的位置處埋設測線，共布置10個測點，在進行回采開挖時，通過監測基本頂垂直方向的應力變化情況，得出工作面推進不同距離時豎直方向應力分布曲線圖如圖2所示。

圖2 工作面推進不同距離時基本頂測點豎直方向應力變化曲線

根據圖2能夠得出，在工作面推進15m時，豎直方向應力值變化較大，，在工作面推進約15m時工作面出現初次來壓，初次來壓時豎直應力的峰值出現在工作面前方5～7m的巖層內，因為基本頂巖層切落后，并未與上覆巖層形成結構，故在工作面剛推進一段距離時受到上覆巖層的沖擊荷載相對較小；在工作面推進25m后，應力峰值在工作面前方7m左右，其豎直應力值為4.97MPa，此時基本頂形成的砌體梁結構會發生滑落失穩[6]，覆巖會隨著基本頂的破斷而切落，此時會對工作面造成較大的沖擊荷載；在工作面推進35m、45m及85m時垂直應力的峰值基本均出現工作面前方10m，呈現出周期性變化，最大應力峰值為5.0MPa。通過上述分析能夠得知上覆巖層滑落失穩會造成工作面周期來壓較為強烈，因此可以根據短砌體梁結構計算出合理的支架支護阻力，用以防止上覆短砌體梁發生滑落失穩。

3 工作面礦壓實測及分析

2-611工作面采用一次采全高的采煤工藝，通過對工作面回采期間液壓支架工作阻力的來壓情況進行分析，觀測支架位置主要在工作面的中部，主要對90#～140#支架回采時的數據進行觀測，同時以5個支架為一組，共設置11組進行觀測，對工作面向前推進27m范圍內進行持續觀測，將所得數據繪制成曲線圖如圖3所示。

通過對圖3進行分析能夠得出，工作面在推進約14.5m時，初次來壓，初次來壓持續約5～6m的距離，此時液壓支架的平均工作阻力為3.41MPa，最大工作阻力為4.65MPa，來壓動載系數1.38；當工作面推進約25時，為第一次周期來壓，來壓持續時間約為4～5m，此時液壓支架的平均工作阻力為3.56MPa，最大工作阻力為4.69MPa，來壓動載系數為1.65，周期來壓的持續距離約為4～5m，且應力峰值大于初次來壓。具體工作面液壓支架的來壓步距情況如表2所示。根據回采過程中的觀測，在來壓時工作面煤壁片幫情況加劇，工作面與回采巷道的交叉處錨桿有明顯的變形，同時工作面的局部區域出現漏頂的情況，便需對該部分區域進行補強支護。根據分析工作面回采過程中液壓支架的工作阻力得出的初次及周期來壓情況與數值模擬結果相同。

圖3 回采過程中支架工作阻力變化曲線

表2 工作面回采過程中來壓步距情況

4 結 論

1）通過對2-611工作面進行數值模擬，得出工作面推進約15m時工作面上方基本頂發生破斷，上覆巖層出現彎曲下沉及切落現象，此時代表著工作面初次來壓；在工作面推進約25m時，工作面上覆巖層會出現類似于初次來壓時的情況，表明此時為周期來壓，模擬結果與現場礦壓觀測數據一致。

2）緩傾斜煤層工作面上覆巖層的運動呈現周期性的變化規律，且周期來壓時礦壓顯現劇烈，來壓步距較短，根據上覆巖層松軟的特性，形成的短砌體梁結構發生滑落失穩時，覆巖會發生切落，導致工作面來壓強烈，可通過分析短砌體梁結構合理選擇液壓支架，保證工作面的安全回采。