綜采工作面頂板來壓規律的模擬研究

秦佳斌

（五礦礦業（安徽）工程設計有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著工作面的不斷推進，上覆巖層呈某種規律性活動，國內外諸多學者經常通過判定直接頂和老頂的步距進行分析。直接頂的分類指標依據為控頂的難易程度、巖石單軸抗壓強度(σc)、節理裂隙間距（I）、分層厚度（h）。結合以上4種參數分析，可以得出一個較為綜合性的指標用來判定直接頂的性質，即強度指數（D）。同時，用分級公式的方法可以將老頂進行級別分類[1]。基于此，確定直接頂的初次垮落步距、老頂的初次來壓步距以及周期來壓步距等參數，可以作為研究工作面頂板來壓規律的基礎[2-3]。本文使用離散元數值模擬軟件UDEC進行模擬，模擬了云駕嶺礦20103工作面推進的全過程，覆蓋了直接頂發生初斷、老頂發生初斷及周期性斷裂。基于模擬后的數據分析處理，可以得到采場上覆巖層的運動參數，是分析綜采工作面頂板來壓規律的有力依據。

1 工作面頂板礦壓顯現

隨著煤層的開采，頂板的暴露面積不斷擴大，上覆巖層中的應力逐漸集中，加之其自重影響，在一定距離時，直接頂發生斷裂并垮落。但在兩側煤壁的支撐下，老頂依然可以保持完整，其自重和上覆巖層產生的壓力會傳遞至兩側煤壁。當工作面推進至一定距離時，老頂發生第一次斷裂和垮落，此時頂板迅速下沉，老頂垮落一端的部分應力轉移至采空區的垮落矸石，另一端的應力則通過懸臂梁結構向煤壁更加集中。此時的工作面壓力急劇增大，老頂的初次垮落標志著工作面頂板的初次來壓。

隨著工作面的繼續推進，老頂的懸臂不斷變長，在上覆巖層及自重的影響下，老頂周期性地發生斷裂，之后再垮落，工作面再次處于懸臂梁的掩護下。沿工作面的推進方向，老頂周期性地發生斷裂和垮落，應力周期性地向采空區和煤壁轉移，這種現象被稱為老頂的周期垮落和周期來壓。

2 計算模型的建立

在誤差允許的精度范圍內，根據20103工作面的實際地質條件，在模型中合理地簡化處理工作面。模擬界面的x軸和y軸分別表示工作面推進的水平方向及煤層與上覆巖層的垂直方向。

為全面覆蓋所需參數，沿x軸方向的長度約為300 m，沿y軸方向的長度約為70 m。

20103工作面的煤層為緩傾斜煤層，傾角很小，因此將模型中的煤層近似水平放置。本次開挖的平均厚度約為5 m，煤層的平均埋深約為420 m。若開挖至模型邊界附近，則邊界效應會對結果產生較大影響。因此，設定開挖總長100 m，開挖步距5 m。具體的計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型Fig.1 Computation module

3 模擬結果與分析

工作面的推進會使上覆巖層的懸露長度不斷增大。巖層由于重力作用，發生一定的形變。當頂板的懸露長度到達其最大穩定承受值后，兩端煤壁附近的集中應力超過可承載極限，直接頂發生斷裂、冒落。如圖2所示，此時的上覆巖層發生如下變化：當工作面推進至15 m時，在直接頂暴露的中部發生斷裂現象，同時形成2個幾乎對稱的類似砌體梁結構。隨著工作面的推進，此結構的下沉量依然會有一定增加，當沉降值達到一定極限時，此結構將無法維持穩定，發生質的變化，即自行冒落。冒落高度約為2 m，呈非對稱形態。

圖2 直接頂初次垮落Fig.2 First caving of the immediate roof

之后，沿著開挖的前進方向，直接頂隨著開挖不斷發生冒落現象，如圖3所示。

圖3 豎直方向位移Fig.3 Vertical displacement

隨著直接頂的不斷冒落，老頂在其自身重力及上覆巖層的作用下也會逐漸發生一定變化，這種變化主要是彎曲下沉。當模型開挖至35 m時，老頂在開挖位置上方巖層的范圍內發生明顯變化，產生了拉裂現象。不同于直接頂的初次垮落，老頂的初次垮落并未呈現明顯的對稱性，破斷的兩個主要部分呈現出一定的回轉現象，如圖4所示。

圖4 老頂初次垮落Fig.4 First caving of the basic roof

當開挖距離達到55 m時，老頂再次發生拉裂，并伴隨一定的回轉。之后每次拉裂后開挖達20 m，老頂都會發生新的拉裂回轉現象。

根據上述模擬結果，可以得出工作面推進方向上應力變化的特點。工作面前方的支承壓力范圍：當開挖至15 m位置時，應力集中在煤壁兩端附近顯現，產生的應力集中范圍如圖5所示。

圖5 開挖過程中應力分布Fig.5 Stress distribution during excavation

在開挖剛開始的時候，應力集中現象就會在開挖的兩端煤壁附近出現，整個煤層都會處于彈性狀態。直接頂產生初次來壓后，煤壁附近的應力開始迅速下降。隨著開挖的不斷深入，當開挖至35 m時，煤壁附近發生應力突增。繼續開挖，煤壁附近的應力呈現持續增長態勢。直到當開挖至55 m范圍時，煤壁附近的應力集中程度發生了較大的減弱，其原因在于老頂出現了初次來壓。與此同時，估算其外應力場的跨度為47 m，估算其內應力場的跨度為10 m。這種應力集中的變化規律會隨著開挖的不斷推進周期性產生，具有極高相似性。

4 結 論

（1）隨著工作面的推移，直接頂隨采隨垮，老頂斷裂由深至淺，周期性垮落。直接頂的冒落在一定程度上受老頂的來壓影響。模擬顯示模型在開挖過程中，直接頂的初壓步距約為15 m，老頂的初壓步距約為35 m，老頂的周期來壓步距約為20 m。

（2）隨著開挖的不斷進行，模型中數據在不斷變化。通過深入分析，煤壁附近將會產生35 m的應力集中范圍；在煤壁的開挖方向上逐漸產生外應力場及內應力場。應力集中沿工作面的推進方向逐漸向煤壁轉移。