杜毅飛

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 太原 030053）

綜放開采隨著近30 a 的發展，技術水平及裝備都有了大幅度的提升，我國煤礦開采的安全越來越重要。在上覆巖層破壞及礦壓顯現問題上眾多學者對其進行過研究[1,2]。采場的覆巖運動是造成礦壓顯現的重要原因[3,4]。本文通過數值模擬研究對馬蘭礦18509 綜采工作面上覆巖層結構運動對礦壓顯現的影響作出研究，為礦山治理礦壓顯現問題作出借鑒。

1 上覆巖層運移及礦壓數值模擬

馬蘭礦位于山西古交，距太原市69 km，設計年生產能力400 萬t，為了研究覆巖的運動及礦壓顯現規律，馬蘭礦采用數值模擬軟件CDEM 對18509 綜采工作面的上覆巖層破壞、爆破欲裂及液壓支架的受力情況進行分析。首先根據現場的地質資料對計算模型進行建立。根據地質資料將模型的走向長度設置為400 m，模型的工作面推進距離設置為153 m。并根據現場的數據對模型進行支架模型加載，且在支架的頂梁位置設置應力監測點，用于監測模型在計算過程中的支架振動情況，并在內外立柱的交接面上設置測點用于監測支架的工作阻力。

數值計算選用的本構模型為摩爾庫倫模型，本文設置的液壓支架模型可以采用立柱壓縮與支架的工作阻力的關系式進行設置，關系公式可以表示為：

式中：P為液壓支架的工作阻力，Pa；P1為液壓支架的初撐力，Pa；K為支架的液壓剛度，為定值本文設定為250 MPa/m；ΔS為立柱的絕對下縮量，m。

液壓支架的模擬本構曲線如圖1 所示。

圖1 液壓支架的模擬本構曲線

由圖1 可以看出，液壓支架的本構關系可以分為兩個部分，一部分為支架工作阻力從支架的初撐力P1隨著支架的立柱絕對下降高度線性增加，直至增大至支架的額定阻力P2，第二部分為模擬過程中的安全閥打開，液壓支架的工作阻力不隨著立柱的伸縮量的變化而改變，持續維持在支架的額定阻力P2。隨著工作面的推進支架隨著移架一直重復著上述過程。在頂板的開切眼出進行爆破欲裂，爆破裂縫間的填充巖體無力學參數。

根據其現場實測的地質資料對模型進行參數設定，模型的材料力學參數對照表如表1 所示。

表1 模型的材料力學參數對照表

完成模型的材料參數設定后，對模型的網格進行劃分，一般來說網格的劃分要遵循模擬實驗的精確度及電腦的運行性能等，網格劃分過粗會影響計算結果精確度，網格劃分過細會加大電腦的運行負荷，所以適當的網格劃分對模擬計算十分重要。完成網格劃分后對模型的邊界進行固定約束設置，完成建模過程后對模型進行計算。如圖2 所示為巖拱結構水平應力云圖。

圖2 巖拱結構水平應力云圖

根據圖2 可以看出，當工作面推進至88 m 時，由于頂板事先進行過預裂，所以云圖的法向應力較低。直接頂的巖層隨著采動進行垮落，爆破切縫處的基本定分層垮落。在距離切縫較遠的位置，由于巖層間本身的黏聚力作用，所醫院才能并不會垮落，而在巖層的下端部形成懸臂的結構，右側拱角隨著工作面的不斷推進形成部隊稱的巖拱結構。不對稱的拱結構的形態呈現出左高右低的形態，此時的應力較低。

如圖3 所示為巖層結構的破壞情況及其水平應力分布情況。

圖3 巖拱結構破壞水平應力云圖

根據圖3 可以看出當工作面推進至88~93 m 的過程中，基本定的巖拱及應力頂發生破壞，巖層的破壞直至地表巖層。爆破預裂產生的非對稱巖拱結構右側拱角的厚度明顯高于左側巖層，左側巖層的承載能力弱，破壞較為嚴重。右側拱角位置的基本頂下側巖層發生分層垮落，上部的巖層發生斷裂下沉。由于左側的巖層較薄所以左側的水平應力云圖并不連續。右側由于巖層較厚，出現一定的分層垮落，承載能力較強，此時的支架工作阻力較低。

當工作面經歷第一次來壓后，基本定的下部分巖層垮落形成懸臂梁，上部分基本定形成鉸接巖梁承載上覆巖層的自身質量。支架的工作阻力仍處于較低的狀態。隨著工作面繼續推進由于基本頂下部的懸臂梁長度的加大，懸臂梁結構發生破壞，此時工作面推進至113~118 m 的位置，造成工作面二次來壓。

當工作面經歷二次來壓后，基本頂的懸臂梁發生破壞，上部的鉸接結構處于穩定狀態，支架的承壓仍不大。當工作面繼續推進時至143~148 m 時，基本頂發生整層的失穩破壞。安全閥開啟，支架承壓達到額定阻力，如圖4 所示為鉸接巖梁水平應力云圖。

圖4 鉸接巖梁水平應力云圖

當18509 工作面推進至93 m 和143 m 時，基本頂的巖層發生整層的斷裂，覆巖的破壞嚴重，工作面經歷第一次及第三次來壓。當工作面推進至118 m時，下部懸臂梁發生破壞。

2 基本頂應力分布研究

為了更好地分析基本頂的應力分布情況，在基本頂的中間部位設置應力監測線實時監測基本頂的應力變化，根據監測到的數據進行繪制應力分布圖如圖5 所示。

圖5 基本頂垂直及水平應力分布曲線

由圖5 可以看出，18509 工作面推進至33 m、63 m和88 m 時，監測線上的垂直應力及水平應力均不斷增加。在距離工作面前8 m 及20 m 處垂直應力及水平應力達到最大值。當工作面推進至93 m 時，超前工作面前方約10 m 的位置水平應力呈現出降低的趨勢，在超前5 m 的位置垂直應力呈現出上升的趨勢。隨著工作面推進巖拱右側拱角發生遷移，垮落距增大，水平應力及垂直應力均有所增大，當拱發生斷裂后水平應力出現降低，垂直應力呈現出增大的趨勢。

當工作面推進至118 m 時，測線監測到超前工作面10 m 的區域內水平應力及垂直應力大致呈現出先減小后增大的趨勢，在超前10 m 的位置出現峰值。推進至123 m 的位置時，此時的水平應力降低至原巖應力。當工作面經歷第二次來壓時，基本頂下部發生破壞，水平應力呈現出增大的趨勢，垂直應力降低[5]。

當工作面推進至138 m 時，監測到水平應力及垂直應力增大至峰值后又會降低至原巖應力。推進至143 m 的位置時，此時的水平應力較工作面推進至138 m 時大。當工作面經歷第三次來壓時，基本頂上部的鉸接結構發生破壞，基本頂失穩，水平應力及垂直應力均出現增大的趨勢。

3 結論

1）通過理論分析和數值模擬的方法給出了支架與圍巖的關系曲線，為采場研究覆巖破壞過程及來壓強度提供參考。

2）通過分析上覆巖層的垮落及礦壓顯發現了在工作面推進50 m 時基本頂出現分層跨落，拱巖破壞后基本頂下部形成懸臂梁上部形成鉸接梁，并對其水平應力云圖做出分析。

3）通過在基本頂布置監測線研究了基本頂隨著工作面推進水平應力及垂直應力的變化趨勢，給出了礦壓顯現的原因及來壓步距。