堅硬頂板工作面超前支承壓力影響因素權(quán)重分析

魏寶貞 石文朋 陳兆生

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城 273500）

堅硬頂板工作面受上覆堅硬巖層特性影響，開采期間前方應(yīng)力集中程度更高，更易導(dǎo)致沖擊地壓事故、頂板事故等礦山災(zāi)害的發(fā)生。學(xué)者們對工作面超前支承壓力相關(guān)問題做了大量研究，取得了頗為豐碩的成果[1-6]。礦井實際開采中堅硬頂板工作面影響條件更為復(fù)雜，各種影響因素權(quán)重不同，對工作面超前支承壓力的影響更加不同。為此通過數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對影響堅硬頂板工作面超前支承壓力的4 種主要因素進行分析，確定其影響程度，對合理設(shè)計超前支護參數(shù)及預(yù)防礦井災(zāi)害發(fā)生具有重要意義。

1 工程概況

運河煤礦6304 工作面北臨6302 工作面采空區(qū)，南面靠近-725 西翼膠帶大巷，南部135 m 左右為另一礦井3312 工作面采空區(qū)。煤層直接頂為粉砂巖，厚度較薄，僅為1 m 左右；基本頂為細砂巖，厚度約為15 m，屬于堅硬厚巖層。工作面標(biāo)高-600～-760 m 之間，地面標(biāo)高為+35.62～ +36.86 m 之間，工作面平均埋深約716 m。位置平面圖如圖1。

圖1 6304 工作面位置平面圖

2 不同因素影響下超前支承壓力數(shù)值模擬

2.1 模型基本參數(shù)

根據(jù)6304 工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件， 利用UDEC2D 軟件進行模擬。確定數(shù)值計算模型尺寸為250 m×100 m（長×寬），模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，在模型x、y 方向上施加水平約束，底部施加垂直約束，頂部為自由邊界，最后需要在模型頂部施加豎直方向的等效荷載模擬上覆巖層的自重。考慮到邊界效應(yīng)的影響，兩邊界處留有30 m寬的煤柱。

2.2 模擬方案設(shè)計

為研究開采深度、采高、直接頂厚度、基本頂厚度4 種不同因素對堅硬頂板工作面超前支承壓力變化程度的影響，以6304 工作面實際開采地質(zhì)條件作為基準(zhǔn)方案，設(shè)計8 種差異化對比方案，具體參數(shù)見表1。

表1 模擬方案參數(shù)表

模型開挖方向由左至右，模擬開采步距3 m，分別記錄工作面推進至一次見方（39 m）、二次見方（81 m）區(qū)域時的前方支承壓力變化數(shù)據(jù)，便于下一步分析。

2.3 模擬結(jié)果分析

分析圖2 可知：工作面推進39 m 時，在不同因素影響下，工作面超前支承壓力呈現(xiàn)出截然不同的分布規(guī)律。對比不同方案可得：

（1）方案1、2 與基準(zhǔn)方案對比可知，隨著工作面開采深度的增加，工作面超前支承壓力也呈增長趨勢。峰值位置隨采深的增加有逐漸向工作面后方轉(zhuǎn)移的趨勢，采深500 m 和900 m 時峰值相差約22.96 MPa，說明開采深度對工作面的超前支承壓力有較大的影響。

（2）方案3、4 與基準(zhǔn)方案對比可知，工作面采高為3 m、5 m、7 m 時，應(yīng)力峰值位置分別在工作面前方3.71 m、12.86 m、18.92 m 處，兩者呈正相關(guān)關(guān)系；峰值大小同樣與采高呈正相關(guān)關(guān)系，但數(shù)值差距僅為0.07～0.31 MPa。

（3）方案5、6 與基準(zhǔn)方案對比可知，所模擬的三種堅硬頂板厚度條件下超前支承壓力整體變化趨勢不大，峰值大小也基本一致，但應(yīng)力集中范圍不同，堅硬頂板巖層越厚，其應(yīng)力集中范圍越大。

（4）方案7、8 與基準(zhǔn)方案對比可知，隨著直接頂厚度增加，峰值開始出現(xiàn)波動現(xiàn)象，出現(xiàn)了一大一小兩個峰值，應(yīng)力出現(xiàn)先增后降再增再降的趨勢。直接頂厚度擴大兩倍和三倍時的波動曲線類似，兩者峰值大小均比直接頂1 m 時的大1.52～7.16 MPa左右。

圖2 推進39 m 支承壓力變化曲線

分析圖3 可以看出：隨著工作面推進距離增加到81 m，9 種模擬方案其超前支承應(yīng)力都有不同程度的增加并出現(xiàn)了雙峰值波動變化，具體情況如下：

（1）隨著工作面繼續(xù)推進，不同開采深度條件下工作面超前支承壓力均有所上升，但整體變化趨勢與推進距離39 m 時相差不大。采高為3 m 時峰值靠近煤壁約4.4 m，隨著采高增大峰值后移，峰值差距范圍較39 m 推進距離時增大到1.61～4.32 MPa，其支承壓力大小與采高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，采高越大超前支承壓力越小。

（2）由圖3 可以看出，當(dāng)工作面推進81 m 時，隨著堅硬頂板厚度的增加，工作面超前支承壓力呈現(xiàn)上升趨勢。由此可知，堅硬頂板越厚，垮落難度越大，造成應(yīng)力集中的程度越高。圖3 中變化最為明顯的是不同直接頂厚度條件下的超前支承壓力分布，與圖2 相比，當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)力峰值位置前移，且兩個峰值先小后大與圖2 中相反，表明開采后期厚直接頂垮落加強了采空區(qū)的充填效果，使較大的支承壓力往煤壁深處轉(zhuǎn)移，減輕了近距離煤壁的應(yīng)力集中程度。

圖3 推進81 m 支承壓力變化曲線

3 DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度分析

3.1 灰色系統(tǒng)分析法原理

DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)值計算、統(tǒng)計分析等多個功能。運用其灰色理論分析法處理得到的數(shù)據(jù)，將推進長度為39 m、81 m 處的超前支承壓力顯現(xiàn)作為參考數(shù)列，開采深度、采高、堅硬頂板厚度、直接頂厚度作為比較數(shù)列。表中xi（k）和Xi（k）為因素xi和Xi在不同條件下獲得的數(shù)據(jù)，見表2～表4。

表2 比較數(shù)列分類

表3 參考數(shù)列分類

表4 試驗數(shù)據(jù)

對于上述數(shù)據(jù)進行均值化處理，分別求出差異序列，并找出最大差以及最小差，見表5。

表5 各影響因素關(guān)聯(lián)度排序表

分別將其代入公式（1），令處理得到的參考序列為x0，比較序列為xi，則x0（k）與xi（k）的關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為：

式中取分辨系數(shù)ζ=0.5，將計算得到的關(guān)聯(lián)系數(shù)取平均值作為參考序列以及比較序列的關(guān)聯(lián)程度，計算公式如下所示：

3.2 超前支承壓力影響因素關(guān)聯(lián)度分析

表6 為最終計算得到的不同因素與不同工作面推進距離下，超前支承壓力之間的灰色關(guān)聯(lián)度。

通過以上各因素關(guān)聯(lián)度對比數(shù)據(jù)可以看出，開采深度及堅硬頂板對工作面超前支承壓力影響較大。由此可知，針對開采深度較大、煤層上方存在堅硬基本頂?shù)拿簩娱_采，應(yīng)該在回采期間對工作面超前支承壓力進行重點監(jiān)測，以確保生產(chǎn)活動能夠保證足夠安全。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬軟件UDEC2D 和基于DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的灰色系統(tǒng)方法對回采期間工作面超前支承壓力的影響因素進行了分析，主要研究結(jié)論如下：

（1）通過模擬得出，不同地質(zhì)條件下，開采

深度、直接頂厚度、基本頂厚度以及煤層開采高度都與超前支承壓力顯現(xiàn)之間有著密切關(guān)系，主要表現(xiàn)為壓力峰值以及范圍存在明顯差異。

（2）利用灰色理論分析法，對超前支承壓力數(shù)值顯現(xiàn)進行了顯著性排序，得到工作面超前支承壓力各影響因素權(quán)重從大到小依次為：開采深度＞基本頂厚度＞煤層采高＞直接頂厚度。