81109 工作面覆巖破壞規律及穩定性研究

王靜民

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037000）

同煤集團云岡礦首采81109 工作面在進行開采過程中，由于煤層間的距離較小，煤層巷道的頂板受上覆煤層采動的影響，礦壓顯現規律不明，且液壓支架和巷道圍巖的關系也不清楚，給支護工作帶來一定的盲目性，影響安全生產[1]。因此，要對81109 工作面的覆巖規律進行研究，為安全開采提供依據。

1 概況

81109 工作面開采11-2 號煤層，煤層賦存比較穩定，結構相對簡單。煤層局部含有一層夾矸，呈單向傾斜布置。煤層平均厚度2.2 m，煤層傾角4°，工作面走向長度為1136 m，傾斜長度為119 m，與上覆7 號、8 號以及11-1 號煤層的層間距為49.91 m、41.29 m、3.2 m，在開采時兩巷沿頂板方向掘進，具體布置如圖1[2]。11-1 號煤層已開采完，11-2 號煤層與11-1 號煤層的間距過小，上覆煤層開采時會嚴重破壞81109 工作面頂板，使回采巷道出現變形或破壞。

圖1 81109 工作面巷道布置圖

2 覆巖規律模擬分析

2.1 建立數值模擬模型

首先針對距離較近的煤層工作面建立離散數值模型，三維計算模型尺寸為800 m×400 m×259 m，采用UDEC 軟件對模型進行分析。沿工作面水平方向進行推進，整個模型由六面體網格組成，其中，塊體使用摩爾庫倫模型，節理使用面接觸庫倫滑移模型[3]。同時，對模型的兩邊和底部進行約束，限制位移邊界，對模型的頂部施加0.8 MPa 的靜載荷，對模型的兩邊各留設50 m 防水煤柱，對工作面回采巷道橫向掘進300 m、豎直方向140 m 進行模擬，整個模型包含196 000 個單元和207 959 個節點。

2.2 主應力分布規律

通過長期對工作面主應力的監測，在巷道頂板較厚的區域，在工作面掘進30 m 時，直接頂一般不會出現垮落，在工作面超前區域，會出現低應力現象；在工作面掘進70 m 時，就會出現頂板垮落，此時監測的應力曲線呈二次分布，兩側圍巖會出現明顯的應力集中，周邊的裂隙開始發育；在工作面掘進100 m 時，巷道頂板出現垮落，頂底板進入卸壓狀態，低應力區域逐步擴大，最大主應力逐步增大，中部應力區域逐步擴大；在工作面掘進160 m時，頂板垮落的巖體逐步被壓實，抵抗最大主應力，使工作面的應力呈現周期性變化。

2.3 塑性區分布規律

在覆巖變化過程中，根據破壞程度，選取工作面在掘進30 m、70 m、100 m、160 m 時，分析巷道的塑性分布情況，如圖2。

圖2 不同掘進距離塑性分布圖

從圖2 可以看出，兩巷煤壁的頂板最先遭到破壞，隨著工作面的不斷掘進，上覆巖層的頂板出現大范圍的破壞，在頂板的中間以及兩巷端部都出現不同程度的拉伸破壞。

2.4 結構位移特征規律

通過對工作面覆巖層巖體位移的監測[4]，在工作面掘進100 m 時，巷道頂板處的最大位移為0.4 m，巷道底板的最大位移為0.13 m，主要是來自豎直方向的位移，沒有出現大范圍的變形。隨著工作面繼續向前掘進，在掘進到160 m 后，巷道頂板的最大下沉量為3.2 m，巷道直接頂全部垮落，隨工作面的掘進而呈周期性的垮落。

2.5 支承壓力分布規律

對工作面的超前支承壓力進行模擬，如圖3 所示，可以看出，在工作面掘進30 m 時，上覆巖層出現應力集中，在6 m 時應力達到最大值，此時的支承壓力為9.8 MPa，離工作面越遠的區域應力越小；在周期來壓后，上覆巖層有很大一部分區域上承受支承壓力，在工作面掘進70 m 時，在9 m 時應力達到最大值，此時的支承壓力為13.1 MPa；在工作面掘進100 m 時，最大支承壓力15.1 MPa；在工作面掘進160 m 時，支承壓力有所下降，達到13.3 MPa。在整個開采過程中，支承壓力呈現動態變化。

圖3 支承壓力分布圖

3 穩定性分析

通過對云岡礦11-2 號煤層81109 工作面上覆巖層位移規律的模擬分析，在掘進期間，受集中應力的影響，工作面的礦壓顯現明顯，在掘進1000 m 內，共出現24 次礦壓顯現，多處巷道頂板出現冒頂，巷道兩幫出現底鼓，支護的錨索被拉斷，嚴重影響井下的安全生產。因此，需要對掘進巷道的應力場進行控制，保證巷道的變形在可以控制范圍內。根據上覆巖層的結構位移規律，對工作面的采放工藝進行優化，采用端頭及超前支護的方案；對巷道頂板進行支護優化，采用錨桿和錨索相結合的支護方式來進行錨固；巷道兩幫變化規律沒有周期性，采用錨桿支護方式進行錨固。掘進巷道的斷面尺寸是5.3 m×3.4 m，錨桿長度2.2 m，直徑是18 mm，每排設計5 個孔，間距為1.2 m，錨索的長度是6.5 m，直徑是17.8 mm，每排設計2 個孔，間距為2.1 m。

在巷道頂板和兩幫處，安設監測設備，根據工作面掘進距離布設監測點。在進行支護優化后，工作面掘進100 m 時，頂板的最大位移量是0.31 m；工作面掘進160 m 時，頂板的最大下沉量是2.4 m，且礦壓顯現的現象明顯減少。在開采過程中，及時采取有效的防范措施，確保井下開采的安全性，維護巷道的穩定性。

4 結論

（1）數值模擬結果表明，隨著工作面的不斷掘進，上覆巖層的主應力呈周期性變化，巷道的頂板出現大范圍的破壞，在掘進100 m 時，頂板最大位移0.4 m，在掘進160 m 時，頂板最大下沉量3.2 m，頂板全部垮落。

（2）根據工作面掘進距離布設監測點，在進行支護優化后，工作面掘進100 m 時，監測到頂板的最大位移量是0.31 m，工作面掘進160 m 時，頂板的最大下沉量是2.4 m，且礦壓顯現的現象明顯減少，提高了井下開采的安全性，確保了巷道的穩定性。