近距離煤層重復采動下堅硬頂板破斷規律

張文宣

(陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 神木 719300)

0 引言

我國相當一部分煤礦開采均采用全部垮落法管理頂板，隨著工作面向前推進采空區空間不斷增大，同時頂板懸露面積增大直至垮落。對于堅硬頂板而言，頂板懸露面積過大，垮落后往往會帶來工作面巨大沖擊力和明顯動載現象，易使工作面致災，造成巨大的人員傷亡和設備損壞[1-5]。近些年，國內外學者對堅硬頂板破斷規律的研究取得了眾多成果。李青鋒等[6]利用威震和支架礦壓監測技術對工作面現場實測，通過分析確定了工作面周期來壓步距。楊敬軒等[7]綜合利用理論分析和現場實測的方法，對堅硬厚頂板來壓特征進行分析，明確堅硬厚頂板拉應力和剪應力的分布情況，確定了頂板初次來壓和周期來壓步距。王開等[8]對于堅硬頂板對采場危害的特征，研究了工作面頂板的3種控制放頂方式和頂板周期破斷的合理長度。鞠金峰等[9]對大柳塔淺埋煤層大采高工作面關鍵層“懸臂梁”結構運動綜合采用現場實測、理論分析和模擬實驗的方法進行研究，闡述了斷面冒頂機理及其控制對策。頊建新[10]基于堅硬頂板綜采工作面，研究了其覆巖應力分布規律、覆巖破壞規律，并對頂板初次來壓和周期來壓進行現場監測。王子升[11]綜合運用數值模擬、現場實測的手段，對大采高工作面礦壓規律分析，推斷覆巖來壓步距、來壓強度，為工作面回采做好預測預報。李立杰等[12]對淺埋煤層大采高工作面礦壓規律進行研究，說明“懸臂梁”和“砌體梁”結構的破斷特征。CHEN Y等[13]對軟媒、堅硬頂板以及變化的地質條件下，采用數值模擬和理論分析的方法研究煤層和頂板變形破壞特征，發現巖層破壞具有明顯的分區。PAN C等[14]對特厚煤層開采中高位堅硬頂板引起的地面壓力行為分析，提出了一種豎井分層壓裂控制技術管理頂板。并建立了“coal wall-hydraulic support-gangue”支撐系統的力學模型，推導采場周期來壓老頂破壞跨度。王海洋等[15]為揭示裂縫對堅硬頂板的破壞特征，對裂縫堅硬頂板破斷步距進行理論分析，并結合數值模擬研究堅硬頂板破壞區域分布和破壞特征。

以上學者的研究，綜合運用數值模擬、物理實驗、理論分析和現場實測的方法，研究了堅硬頂板破斷特征和頂板來壓規律。基于此，以張家峁煤礦15210工作面為例，在工作面回采過程中，上下端頭采空區存在懸頂面積過大，現為預防回采工作面兩端頭采空區頂板懸頂面積大垮落而產生沖擊力，造成工作面設備損壞和人員傷亡。為此，綜合運用數值模擬(UDEC)和理論分析的方法，研究重復采動大采高堅硬頂板破斷規律，以期為現場礦壓監測與分析提供依據。

1 工程概況

張家峁煤礦15210回采工作面位于5-2煤層，煤層厚度5.9～6.1 m，平均厚度6 m。煤層結構簡單，傾角約為1.06°，垂直節理、裂隙發育，工作面推進長度1 857.21 m，切眼長度296.95 m。工作面無直接頂，基本頂為粉砂巖，厚度15.45 m，頂板巖石飽和抗壓強度平均30 MPa，為較穩定頂板，工作面具體煤巖層如圖1所示。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 數值模擬

為得到大采高工作面堅硬頂板垮落規律，現以張家峁煤礦15210工作面為工程背景，采用UDEC數值模擬軟件再現煤層開采后頂板破壞全過程。

2.1 模型建立

基于UDEC數值軟件，根據張家峁煤礦15210工作面煤巖體物理參數(表1)和節理物理力學參數(表2)，建立數值模型(圖2)，模型尺寸160 m×65 m(長×高)。為消除邊界效應，模型兩邊各留設40 m寬的煤柱，模擬工作面推進80 m，模型上方施加4.25 MPa的垂直應力以表示上方覆巖載荷。

表1 煤巖體力學參數

表2 節理物理力學參數

圖2 數值模型

2.2 模擬結果分析

2.2.1 4-4煤層開采

如圖3所示，當4-4煤層充分開采后，底板塑性破壞范圍約9 m，圖中可以看出該煤層開采圍巖破壞范圍并不會影響到下位5-2煤層及其頂板。

圖3 4-4煤層開采圍巖塑性區分布

2.2.2 5-2煤層開采

開采5-2煤層時，由于該煤層無偽頂和直接頂，因此隨著煤層向前推進直接面臨的是基本頂(粉砂巖)的斷裂破壞，整個破壞過程如圖4所示。

圖4 5-2煤層頂板破斷特征

如圖4(a)所示，當工作面推進45 m時，頂板出現下沉，但未發生破壞。如圖4(b)所示，當工作面推進50 m時，頂板發生斷裂破壞，工作面基本頂初次來壓，來壓步距約50 m，同時開始形成砌體梁結構，覆巖產生較大的垂直位移量，且下沉明顯。如圖4(c)所示，當工作面推進55 m時，頂板持續下沉，并且在煤壁前方形成跨距約7 m的頂板懸露。如圖4(d)所示，當工作面推進60 m時，砌體梁結構繼續保持穩定，并且在煤壁前方形成跨距約12 m的頂板懸露。如圖4(e)所示，當工作面推進65 m時，砌體梁結構失穩，工作面基本頂第1次周期來壓，來壓步距約17 m，此時頂板垮落至采空區形成“八字形”破壞，并且工作面后方覆巖受充分采動影響，已經開始穩定，減緩以至不再下沉。如圖4(f)所示，當工作面推進70 m時，基本頂裂隙不斷發育，并且形成約8 m的直接頂懸露。如圖4(g)所示，當工作面推進75 m時，基本頂不斷破壞，形成約12 m的頂板懸露。如圖4(h)所示，當工作面推進80 m時，基本頂破斷加劇，并且全部斷裂，此時工作面出現二次周期來壓，來壓步距約15 m。

3 現場實測

在工作面回采過程中，通過對液壓支架動態載荷阻力檢測來判斷工作面周期來壓，并確定來壓步距。如圖5所示。

圖5 2020年6月工作面周期來壓步距

結合圖5工作面周期來壓步距，6月份工作面周期來壓步距最大在6月19日，可達22.75 m；其次在6月22日，工作面周期來壓步距可達20 m；而且來壓步距大多保持在10 m以上，來壓步距大，來壓頻繁。

4 結論

(1)近距離煤層間由于有堅硬巖層(粉砂巖)存在，因此上位煤層開采底板塑性區破壞范圍不會波及到下位煤層。

(2)在開采5-2煤層時，由于煤層頂板為基本頂(粉砂巖堅硬頂板)，通過UDEC數值模擬計算基本頂初次來壓步距約50 m，第1次周期來壓步距約17 m，第2次周期來壓步距約15 m。結合現場實測，周期來壓步距保持在3～22.75 m范圍內，驗證了數值模擬的正確性，因此，通過該數值模擬可作為堅硬頂板周期來壓步距的預測。

(3)根據數值模擬和現場實測的結果分析，可以得出工作面堅硬頂板具有來壓步距大，來壓頻繁，頂板懸頂時間長等特點。