綜采工作面堅硬頂板上覆巖層“三帶”高度研究

張文平

（晉圣公司億欣煤業生產部，山西 晉城 048006）

堅硬頂板工作面回采后，可能會造成頂板大面積來壓，影響工作面安全回采。通過分析工作面上覆巖層“三帶”高度，研究工作面礦壓顯現規律，為工作面安全回采和支護提供依據[1-3]。億欣煤業15#煤平均厚度2.8m，頂板主要由粉砂巖、細沙巖構成，巖層強度大，工作面周期來壓步距大，容易造成大面積懸頂。當頂板大面積來壓時，瞬間釋放的能量大，易造成人員傷亡和設備的損壞。因此，分析工作面頂板裂隙帶、彎曲帶和垮落帶，能夠為15#煤層其他工作面的布置、煤柱留設、巷道支護、回采控制等提供可靠的礦壓基礎資料，為礦井安全生產提供有效保障。

1 工作面概況

XV2302工作面位于二水平九四盤區，地面標高843～972m，煤層底板標高590～604m，主采煤層15#煤，平均厚度2.8m。工作面的直接頂板為粉砂巖層，平均厚約3.93m，直接頂普氏硬度f=3～4，視密度2.75t/m3，單軸抗壓強度69.8MPa，頂板強度高。XV2302工作面為兩硬圍巖工作面，回采后礦壓顯現比一般條件工作面更為劇烈，因此，需要對工作面上覆巖層“三帶”高度進行研究，分析工作面礦壓顯現規律，為工作面頂板支護提供依據。

2 工作面“三帶”相似模擬

由于現場觀測手段具有一定的局限性，不能直觀看到工作面覆巖運動情況，并且堅硬頂板綜采工作面采場頂板巖層移動過程比較復雜，這就給采場礦山壓力顯現規律的研究帶來了一定的困難[4-5]。進行實驗室相似材料模擬試驗可以彌補這一缺點。建立長×寬×高=4.0m×0.3m×2.0m的模型，在15#煤上方0.1m、0.4m、0.7m、1.0m處分別布置4條位移監測線，測點間距為0.2m。

模型自左向右開挖，每次開挖步距為10cm，得到15#煤2302工作面回采后上覆巖層運動規律，如圖1所示。

由圖1可知，當模型開挖至14.6cm位置時，直接頂初次來壓，來壓步距為14.6m；當模型開挖至32.0cm位置時，基本頂初次來壓，來壓步距為32.0m。基本頂周期來壓步距平均約15.8m，其運動狀態基本上為巖塊鉸接平衡，來壓特征較為明顯。基本頂來壓特征如表1所示。

圖1 XV2302工作面回采后上覆巖層運動特征

由圖1、表1可知，XV2302工作面回采后，上覆巖層受動壓影響，直接頂、基本頂會發生大面積來壓，頂板會逐漸垮落。當工作面推進至距切眼12m處時，頂板開始出現離層，隨著工作面向前推進，離層的高度逐漸增大。當工作面推進至距切眼22m處時，離層裂隙增長至9m，此時，工作面頂板垂直方向開始出現裂隙。工作面繼續推進，離層與縱向裂隙相互影響。當工作面推進至距切眼32m處時，基本頂初次來壓，離層繼續沿著垂直方向向上發展，頂板開始出現斜交裂隙，并隨著工作面推進呈周期發展。當基本頂發生周期來壓時，橫縱裂隙相互作用，頂板呈現巖層組整體垮落下沉。

表1 XV2302回采后基本頂來壓特征

當XV2302工作面推進至115m時，上覆巖層“三帶”基本形成。根據相似模擬試驗測算可知，垮落帶高度約為5.8m，裂隙帶高度約27.2m，直接頂、直接頂初次來壓步距及頂板運動特征與現場實測結果基本相符。

3 工作面礦壓顯現特征

3.1 模擬方案

采用FLAC3D數值模擬XV2302工作面推進至不同距離時支承壓力分布情況[6-7]。根據2203工作面地質條件，建立150m×100m×160m的力學模型，材料參數如表2所示，垂直方向施加5.5MPa應力，水平側壓系數為1。

表2 工作面材料參數

3.2 模擬結果分析

（1）超前支承壓力

采用FLAC3D模擬得到XV2302工作面推進至20m、40m、60m位置處工作面超前支承壓力云圖，如圖2所示。

由圖2可知，XV2302工作面推采后，圍巖應力重新分布。當推進至距切眼20m處時，煤壁前方及工作面采空區后方圍巖垂直應力明顯增高，在工作面前后出現應力集中區，超前支承壓力峰值為27MPa，影響范圍30m，峰值距煤壁11m。當推采至距切眼40m處時，由于頂板懸露面積增大，導致工作面前后支承壓力值也有一定幅度的增大，超前支承壓力峰值為36MPa，影響范圍35m，峰值距煤壁10m。當推進至距切眼60m處時，超前支承壓力峰值為35MPa，影響范圍35m，峰值距煤壁10m。

圖2 XV2302工作面不同推進距離超前支承壓力圖

由此可知，XV2302工作面來壓期間超前支承壓力峰值為27～35MPa，影響范圍為前方0～35m，峰值區距煤壁10m。受工作面頂底板條件影響周期來壓期間支承壓力峰值區較常規工作面前移。

（2）側向支承壓力

采用FLAC3D模擬得到XV2302工作面側向支承壓力云圖，如圖3所示。

圖3 XV2302工作面不同推進距離側向支承壓力圖

由圖3可知，XV2302工作面兩端頭出現應力集中，側向支承壓力影響范圍為11.90m。其中距工作面側向6.35m范圍為影響劇烈范圍，應力峰值為12.09MPa，應力集中系數為1.51，峰值位置側向距離較小，約為0.45m。

4 巷道圍巖變形量分析

通過現場監測XV2302工作面回風巷圍巖變形量，對支承壓力數值模擬進行驗證。共布置1～4#測點，測點間距10m，當工作面推進50m后觀測巷道圍巖變形量。

根據監測結果可知，XV2302工作面回風巷在超前工作面35m左右開始出現移近變化，但變形量和變形速率小。在工作面前方約20m處時，巷道圍巖變形量和變形速度大幅度增加，在工作面前方10m處達到峰值，巷道最大頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為13mm、18mm、27mm。

5 結論

（1）通過相似模擬試驗模擬工作面回采后上覆巖層運動規律，得到XV2302工作面上覆巖層“三帶”高度。根據模擬結果可知，垮落帶高度約為5.8m，裂隙帶高度約27.2m。

（2）采用FLAC3D模擬工作面不同推采距離支承壓力。根據模擬結果可知，15#煤工作面支承壓力峰值和影響范圍較常規工作面大，工作面超前支承壓力峰值為27～35MPa，影響范圍為前方0～35m，峰值區距煤壁10m；側向支承壓力影響范圍為11.90m，應力峰值為12.09MPa，峰值位置側向距離0.45m。

（3）通過監測工作面回風巷圍巖變形量對模擬進行驗證。根據現場監測結果可知，監測結果與模擬結果基本一致，在工作面前方10m處圍巖變形量達到峰值，最大頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為13mm、18mm、27mm。