某礦長距離連續推進工作面頂板破斷規律研究

孫新磊 王 甲 李 偉

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司）

工作面長度變化導致的煤層回采過程中的頂板破斷結構異常，嚴重影響了礦井的安全生產工作［1-2］。在工作面長度變化的采場中，由于頂板礦山壓力顯現，在傳統礦井中使用的支護系統難以起到有效的支護作用［3-4］。因此，探究頂板的破斷規律是優化巷道支護的關鍵問題。

姜福興［5］基于微震定位監測技術，根據采場的不同邊界條件總結了采場頂板三維空間的力學形態和運動規律。楊增強等［6］采用數值模擬和微震監測手段研究了斷層影響下工作面長度變化區的覆巖破壞機理。何富連、陳冬冬等［7-8］運用有限差分原理構建了彈性基礎邊界、彈-塑性基礎邊界的薄板結構優化模型，深化了采場頂板的破斷順序細則。

針對復雜的變面采場頂板破斷結構的演化問題，以往學者多采用實地監測與數值模擬手段進行研究，而理論分析方法多用于研究簡單地質條件下的破斷結構。針對某礦工作面長度變化的復雜結構特點，建立不同邊界條件下的連續性頂板破斷結構模型，探究頂板的失穩破壞規律，為復雜條件下的采場巖層控制提供理論基礎。

1 工程地質概況

某礦11184 采煤工作面位于井田東翼，北部是11182 采空區，南部18 煤未采動，西部為軌道上山及主運輸上山，東部為井田邊界。工作面總體表現為北高南低的單斜構造，工作面內煤層傾角變化較小，煤層厚度1.3～4.2 m，平均煤厚3.8 m。煤層結構較簡單，夾矸一般為0～1層，巖性均為泥巖或炭質泥巖，層位穩定，煤層頂底板巖性特征如表1所示。

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受制于煤層賦存地質環境影響，工作面具有變化特性，傾向長度最短為120 m，最長為240 m，平均長度180 m。為探究工作面推進過程中由于工作面長度導致的礦山壓力顯現異常，尤其是工作面長度進入對接變化區后的支架快速升壓，頂板大量破碎等問題，對某礦的工作面頂板破壞規律進行分析。

2 沿空巷道初采采場頂板破斷規律

以往的頂板破斷力學研究模型中，多將頂板的力學邊界條件設立為四邊固支條件。為減少煤炭資源的回收損失率，某礦采用沿空留巷，因此，頂板力學模型的邊界條件也會隨之發生改變。由于沿空巷道對上方頂板的力學夾支性能極弱，固支條件已經不再滿足工程力學模型，應變更為簡支邊界條件。適用于沿空巷道邊界條件下的采場頂板力學模型如圖1 所示，模型的尺寸為2a×b（長×寬）。此模型為三邊固支一邊簡支，沿空巷道邊界為簡支邊界，其余邊界的力學夾支性能較好，設置為固支邊界條件。利用伽遼金法對此頂板進行數學解析，通過分析頂板的彎矩數值規律，探究此邊界條件下頂板的采動裂隙場發育規律。

根據模型邊界條件可以得出：

式中，ω為撓度，m。

依據彈性力學伽遼金法，撓度公式：

式中，μ為泊松比。

假 設a=80 m，b=120 m，q=-15 MPa，D=70.52 GPa·m，μ=0.35，最終利用MATLAB 計算得到彎矩圖像，如圖2所示。

根據圖2所示的彎矩圖，最終可得到頂板的破斷過程，即高位裂隙的瓦斯流動通道演化過程，由圖可以看出，x方向彎矩與y方向彎矩均在固支邊的長邊位置達到最高值，分別為980 MN·m 與3 300 MN·m，大于兩側短固支邊界處的1 800 MN·m，所以，此處頂板率先發生破斷，隨后兩側短固支邊的彎矩達到最高值，使頂板發生破斷，此時固支邊界全部破斷，與下方沿空巷道的邊界裂隙貫通，最終連接成“O”形裂隙圈，隨后中間位置的頂板發生破斷，并向邊界方向延伸，在板中間內部產生“X”形裂隙通道，至此形成頂板的“O-X”裂隙破斷過程，破斷過程如圖3所示。

綜上所述，沿空巷道條件下的初始采場頂板破斷發育過程與傳統采場的頂板破斷過程略有不同，但均會發育為“O-X”破斷，其發育過程為長邊裂隙產生—短邊裂隙產生—周圍裂隙貫通—中間裂隙產生。

3 工作面長度變化區頂板破斷規律

隨著工作面的推進距離繼續增加，工作面進入長度變化區。如圖4所示，此時工作面位置處的頂板受到擾動應力的影響發生斷裂，頂板模型的底部為沿空巷道的破斷頂板，因此模型的左邊界下半部分與底部可設置為簡支邊界條件。此模型中在同一個邊界上出現了2 種邊界條件，根據全區域擾動特性，工作面連續推進時會在正前方產生超前支承壓力包絡區，對于相鄰位置的頂板超前支承壓力的影響較小，考慮到變面采場的下部邊界約束性較弱，因此，以變面采場的1/2 為分割線，將變面采場劃分為變面采場Ⅰ與變面采場Ⅱ，其中變面采場下部1/2 的變面采場Ⅰ會率先發生破斷，繼而促使上部1/2 的變面采場Ⅱ發生破斷。

根據上述分析過程，對變面采場Ⅰ進行力學建模，如圖5所示。

運用MATLAB計算得到彎矩圖像，如圖6所示。

根據圖6所示的頂板彎矩圖，可分析頂板的破斷規律，如圖7、圖8所示。此模型在長簡支邊的中心位置取得極大值，促使采場的頂板在長簡支邊處發生破斷，由于此處的頂板在小面采場時已經率先發生破斷，因此，頂板的裂縫將會向板中心延伸并逐漸向固支邊靠攏，誘發固支邊發生破斷，隨后固支邊斷裂裂縫向兩側貫通形成閉合的破斷結構，在整體結構上，表現為具有延長特性的“O-X”破斷。

4 工作面長度漂移區頂板破斷規律

當變面采場Ⅰ破斷形態形成后將會誘發變面采場Ⅱ的連續性破斷，變面采場Ⅱ的模型邊界條件與小面采場模型邊界條件相同，因此，省略其計算過程，此過程中，頂板的破斷結構向傾向發生了漂移，最終出現接續小面采場的漂移形“O-X”破斷結構，并且破斷規律與某礦實測的頂板下沉規律相吻合，如圖9 所示。由于延長形“O-X”破斷與漂移形“O-X”破斷均出現在工作面長度的變化區，所以導致了工程現場中的來壓步距短、變壓強度高、頂板破碎、支護難等現象。其整體在回采推進與巖層運移的時空關系上表現出頂板結構破斷的漂移性、巖層結構失穩的非連續性、支撐壓力擴展的遷移性以及礦壓顯現陡增的瞬時性。

5 結 語

（1）建立沿空巷道條件下的初采采場力學模型，運用伽遼金法進行理論求解，得到頂板破斷發育過程為長邊裂隙產生—短邊裂隙產生—周圍裂隙貫通—中間裂隙產生。

（2）將工作面長度變化采場劃分為變面采場Ⅰ與變面采場Ⅱ，其中變面采場Ⅰ發生延長形“O-X”破斷結構，變面采場Ⅱ發生漂移形“O-X”破斷結構。

（3）由于延長形“O-X”破斷與漂移形“O-X”破斷均出現在工作面長度的變化區，并由此導致了工程現場中的來壓步距短、變壓強度高、頂板破碎難支護等現象。