堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現規律研究

頊建新

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037003）

堅硬頂板因較高的強度，使得其在工作面掘進后不易斷裂垮落，在采空區形成較長的空頂距離，易造成煤壁片幫嚴重及支架壓力增大失穩等威脅。因此，研究堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現規律對于礦井的安全生產具有積極的作用[1-2]。

雖然目前一些學者對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現規律做了相應的研究[3-5]，并得出一些有益的結論，但由于影響機理的復雜性，仍存在諸多問題。本文以四臺礦81220工作面地質和采掘條件為背景，通過數值模擬和現場監測的方法，對堅硬頂板綜采工作面礦壓顯現規律進行分析，研究結果具有一定的工程應用價值。

1 工程概況

四臺礦隸屬于同煤集團，井田位于大同煤田西北部，核定生產能力500萬t/a。81220工作面傾斜長2100m，寬180m，平均埋深245m，主要開采14#煤層，煤層厚度1.6～2.0m，平均厚度1.8m，平均傾角4°，采用走向長壁一次性采全高的采煤方法。工作面直接頂為平均厚度4.0m的中砂巖，老頂為平均厚度15m的細砂巖，直接底為平均厚度2.9m的泥巖。工作面采用采煤機斜切進刀→割煤→裝煤→移架→推溜的作業方式，選用ZZ8000/18.5/38型液壓支架支護，雙滾筒采煤機破煤、裝煤，由刮板輸送機、轉載機、皮帶輸送機運煤作為運輸系統。

2 堅硬頂板綜采面覆巖應力分布模擬分析

2.1 模型的建立

依據四臺礦81220工作面地質及開采情況，采用FLAC模擬軟件建立81220堅硬頂板工作面數值模型，各巖煤層采用摩爾-庫倫模型，根據地質勘察報告巖煤層物理力學參數見表1。模型四周和底部為固定約束，工作面沿走向和傾向距側邊均為30m，為簡化模型，將上部巖層按均布載荷設置取10MPa，最終建立模型長150m，寬100m，高80m，如圖1。

表1 巖層物理力學參數

圖1 數值模型

2.2 覆巖應力分布規律分析

工作面的推進破壞了地層原應力平衡狀態，使得應力重分布，且工作面推進不同距離時覆巖應力分布情況也有較大差異，在模擬時工作面每次推進10m。采用FLAC軟件分別對工作面推進20m、40m和60m時的堅硬頂板綜采工作面覆巖應力分布情況進行模擬分析，垂直應力分布云圖如圖2所示。可以看出，工作面掘進后采空區頂板覆巖垂直應力分布較平緩均勻，基本呈對稱分布，垂直應力發生卸載顯著減小，在前方煤壁處產生應力集中現象。當工作面推進20m、40m、60m時，垂直應力峰值分別為24.3MPa、39.7MPa、54.3MPa，增幅分別為63.4%、36.8%，可以看出應力峰值隨工作面推進距離的增大而增大，但增幅減緩，同時采場擾動影響范圍持續增大，應力卸載減小區范圍發展到整個采空區頂板。

圖2 不同推進距離時垂直應力分布云圖

2.3 覆巖沉降分析

圖3為不同推進距離時工作面覆巖沉降云圖。可以看出工作面推進不同距離時覆巖沉降最大值均在采空區中部，兩側沉降逐漸減小，呈對稱分布，且覆巖埋深越淺沉降值越小。

當工作面推進20m、40m、60m時，覆巖最大沉降值分別為124mm、438mm及859mm，隨工作面推進距離的增大相同位置處的沉降值增大，且沉降影響范圍也增大。分析原因主要由于隨工作面的推進，頂板空頂距離增大，覆巖沉降值發生較大增長，采場擾動繼續向四周傳遞，擾動范圍增大，采空區底板發生隆起，但隨工作面推進距離的增大改變較小。

圖3 不同推進距離時覆巖沉降云圖

2.4 覆巖破壞規律分析

圖4為不同推進距離時工作面塑性區分布圖。可以看出，不同推進距離時塑性區均主要分布在采空區頂底板處，當工作面掘進20m時，頂板大部分區域較穩定，僅中部由于拉伸破壞失穩出現小范圍的破碎垮落；當工作面掘進40m時，頂板破壞區域范圍增大，但僅出現在直接頂區域，由此判斷推進長度尚未大于頂板極限垮落步距，并未達到初次來壓；當工作面掘進60m時，頂板塑性破壞區域范圍急劇增大，頂板由于剪切、拉伸發生離層現象，采空區上部30m處煤巖層也發生拉伸破壞，由此判斷81220工作面初次來壓步距為60m。

圖4 不同推進距離時塑性區分布

3 堅硬頂板綜采面覆巖活動規律實測分析

為分析堅硬頂板綜采工作面回采期間覆巖活動規律，對81220工作面進行現場實測，沿工作面傾斜方向布置測線，采用YHY-60液壓支架監測儀對ZZ8000/18.5/38型液壓支架的工作阻力進行監測。

3.1 初次來壓分析

81220工作面回采期間被監測液壓支架初次來壓工作阻力曲線如圖5所示。可以看出，在11日當工作面推進55m時，20#支架工作阻力有一個突增的變化，支架工作阻力由5128kN增至6447kN，增幅約25.7%，且煤壁側出現較明顯的片幫現象。由此判斷81220工作面初次來壓，來壓步距為55m。分析其原因，是因為當工作面的推進距離大于頂板的極限垮落步距時，在上部巖煤層的壓力作用下基本頂破碎斷裂，并產生較大的能量，在開挖面前方產生較大應力集中區和塑性變形區，向下傳遞至煤壁，增大了發生片幫的風險，同時壓力向下傳遞使得液壓支架工作阻力增大。

圖5 支架工作阻力曲線圖

3.2 周期來壓分析

在81220工作面初次來壓后，隨工作面的繼續推進，頂板破斷巖煤體長度增加，當其長度大于極限垮落步距時，頂板再次發生斷裂垮落，如此循環導致工作面周期來壓的形成。在工作面回采期間對液壓支架工作阻力持續進行監測，第一次周期來壓期間20#、21#、22#三個支架工作阻力曲線如圖6所示。

圖6 支架工作阻力曲線圖

表2為三個支架周期來壓期間的監測數據。可以看出，周期來壓期間支架工作阻力由5199kN增大至6257kN，增幅約20.4%，平均周期來壓步距約為21.5m，來壓持續長度約為3.2m。

表2 周期來壓監測數據

對比分析堅硬頂板綜采工作面覆巖應力分布模擬結果和頂板來壓監測結果，可知隨工作面的推進，應力峰值增大，擾動范圍增大同時工作面形成周期來壓，液壓支架工作阻力增大。

4 結論

本文以四臺礦81220工作面地質和開采條件為背景，通過數值模擬的方法，分別對堅硬頂板綜采工作面覆巖應力分布規律、覆巖沉降及破壞規律進行分析，對初次來壓和周期來壓期間支架工作阻力進行現場監測，監測結果表明：

（1）應力峰值隨工作面推進距離的增大而增大，但增幅減緩，同時應力卸載減小區發展到整個采空區頂板范圍。

（2）隨工作面的推進，頂板空頂距離增大，覆巖沉降值發生較大增長，采場擾動繼續向四周傳遞，擾動范圍增大。

（3）堅硬頂板綜采工作面初壓時支架工作阻力突增，且煤壁側出現較明顯的片幫現象。