郭 暉，王 鵬

（1.山西焦煤集團(tuán)霍州煤電有限責(zé)任公司 店坪煤礦，山西 方山 033102；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 03002）

店坪煤礦薄基巖頂板破壞規(guī)律研究

郭 暉1，王 鵬2

（1.山西焦煤集團(tuán)霍州煤電有限責(zé)任公司 店坪煤礦，山西 方山 033102；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 03002）

針對(duì)店坪煤礦煤層上覆基巖超薄、且自穩(wěn)性能差、承載能力弱、工作面頂板管理難等特點(diǎn)，以5302首采工作面實(shí)測(cè)礦壓資料為依據(jù)，并利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)工作面推進(jìn)中不同層位的頂板進(jìn)行了模擬；最終分析了工作面回采過程中上覆巖層移動(dòng)、破壞演化的機(jī)理，為工作面的安全高效生產(chǎn)提供了依據(jù)。

薄基巖；覆巖破壞；數(shù)值模擬；來(lái)壓步距

煤炭開采會(huì)使頂板巖層在自重及上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力超過巖層自身的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂會(huì)發(fā)生斷裂、破碎、冒落；老頂巖層以梁彎曲的形式，沿層理面法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而離層、斷裂。頂板基巖薄，在我國(guó)榆神、神東煤田普遍可見，近年來(lái)對(duì)工作面頂板結(jié)構(gòu)及活動(dòng)規(guī)律有了不少研究；而在晉西北頂板基巖薄、斷裂時(shí)有其獨(dú)特性，因此研究薄基巖的礦壓顯現(xiàn)及上覆巖層破壞活動(dòng)規(guī)律，對(duì)店坪煤礦頂板管理具有重要意義。

1 工作面的概況

店坪煤礦位于山西呂梁，現(xiàn)主采5號(hào)煤層，5302回采工作面位于5號(hào)煤三采區(qū)左翼，采用單一傾向長(zhǎng)壁后退式綜采工藝、全部跨落法管理采空區(qū)頂板。工作面選用MG400/930-WD型雙滾筒無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)落煤，循環(huán)進(jìn)度0.8m，雙螺旋葉片與滾筒裝煤；工作面選用SGZ880/800型刮板輸送機(jī)，順槽選用一部SZZ-1000/375型轉(zhuǎn)載機(jī)、一部SSJ1000/2×160型膠帶輸送機(jī)運(yùn)煤。該面東至井田東部風(fēng)氧化帶，西與900水平南翼皮帶巷相通，南與5304工作面（未掘進(jìn)）相鄰，北至工業(yè)廣場(chǎng)煤柱，是三采區(qū)第一個(gè)回采面。

5302回采工作面5號(hào)煤層較穩(wěn)定厚度，為2.1 m～2.7m，均厚2.4m，偶含兩層夾矸，該面采高2.4 m，煤層傾角0～7°；直接頂為黑色砂質(zhì)泥巖，自上而下砂量逐漸減少，底部近似泥巖，水平層理明顯，層面光滑，厚度為1.6m～2.9m，均厚2.6m；老頂為深灰色中砂巖，上為4號(hào)下煤，厚度為1.6m～2.8m，均厚2.2m。直接底為砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，上為砂質(zhì)泥巖，往下沙粒逐漸增多，含大量的根部化石塊狀，厚度為2.5m～4.3m，均厚3.4m；老底為細(xì)砂巖，含大量的暗色礦物，厚度為1.4m～2.2m，均厚1.8m。

2 采空區(qū)上覆不同層位的頂板數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

為了分析5302工作面回采時(shí)上覆不同層位的巖層跨落規(guī)律，建立了模擬計(jì)算的FLAC3D三維模型。模型走向長(zhǎng)度300m、傾向長(zhǎng)度200m，模型高度12.4m，工作面長(zhǎng)度200m。為了避免計(jì)算時(shí)模型邊界的影響，模型方向兩邊各留50m的煤柱，模型方向兩邊各留50m的煤柱；模型由82500個(gè)單元組成，邊界條件采用位移約束，模型左右邊界方向速度為0，前后邊界方向速度為0，底邊界固定約束，上邊界為自由邊界，施加上覆巖層的自重載荷5 MPa。圖1為采場(chǎng)工作面水平剖面圖，表1為煤巖層力學(xué)參數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從圖2和圖3看出，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)空間不斷增大，上覆不同層位的頂板會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力卸載區(qū)。采空區(qū)上覆巖層中，靠近工作面前方的頂板中出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，而在采空區(qū)對(duì)應(yīng)的正上方巖層中出現(xiàn)應(yīng)力降低；且隨著工作面的向前推進(jìn)，這種增大和降低的趨勢(shì)愈加明顯；不僅垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力也出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力降低區(qū)域。

圖1 模型水平剖面圖

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

圖2 工作面推進(jìn)18m時(shí)的采場(chǎng)圍巖支承壓力分布

圖3 工作面推進(jìn)24m時(shí)的采場(chǎng)圍巖支承壓力分布

當(dāng)工作面推進(jìn)10m時(shí)，只有直接頂偏下部位出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，且最大拉應(yīng)力達(dá)到3.52MPa，超過了直接頂本身的抗拉極限強(qiáng)度3.2MPa，此時(shí)會(huì)在直接頂中部的最下層位出現(xiàn)彎拉裂隙，但由于只是在直接頂最下部破壞，因此不會(huì)造成直接頂?shù)恼w破壞；對(duì)老頂而言，由于煤層的開挖，在垂直層面上會(huì)產(chǎn)出彎曲下沉，垂直應(yīng)力降低到2.9MPa；而在水平層面上產(chǎn)生擠壓，水平應(yīng)力增大到5.66MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)到14m時(shí)，直接頂上部拉應(yīng)力達(dá)到3.36 MPa，此時(shí)也超過了直接頂本身的抗拉極限強(qiáng)度3.2 MPa，最終導(dǎo)致整個(gè)層位的直接頂產(chǎn)生拉破壞，而在深入煤壁附近的直接頂兩端會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，最終造成直接頂垮落，跨落步距10m～14m，老頂垂直應(yīng)力繼續(xù)減小，達(dá)到了2.49MPa，水平應(yīng)力繼續(xù)增加到6.72MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)24m時(shí)，煤壁附近的頂板拉應(yīng)力此時(shí)達(dá)到3.42MPa，超過了其抗拉強(qiáng)度，因此頂板會(huì)在煤壁附近發(fā)生拉伸破壞，即上覆頂板發(fā)生周期跨落，來(lái)壓步距約8m～10m。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

為了分析5302工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，該礦首采工作面布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，即20號(hào)、40號(hào)、60號(hào)、80號(hào)、100號(hào)、120號(hào)、140號(hào)，見圖 4。

圖4 液壓支架阻力測(cè)定儀布置示意圖

觀測(cè)時(shí)間從2011年5月2日到2011年5月8日結(jié)束。以實(shí)測(cè)支架循環(huán)末阻力峰值為頂板的來(lái)壓步距，來(lái)壓步距參數(shù)，如表2所示。

表2 5302綜采面基本頂來(lái)壓步距

根據(jù)支架支護(hù)阻力圖確定5302綜采工作面基本頂初次來(lái)壓約14.0m，周期來(lái)壓步距為10.8m，且歷次來(lái)壓時(shí)和來(lái)壓前支護(hù)阻力的比值（即動(dòng)壓系數(shù)）都大于1，頂板來(lái)壓強(qiáng)度平均阻力動(dòng)壓系數(shù)為1.025。

4 結(jié)論

(1)由于頂板基巖薄，因此工作面推進(jìn)距離不是很大時(shí)，頂板就會(huì)發(fā)生跨落，而且由于巖性的不同，當(dāng)直接頂破斷后，老頂會(huì)產(chǎn)生彎曲下沉，在垂直層面上出現(xiàn)卸壓的趨勢(shì)，在水平層面上相對(duì)擠壓，呈現(xiàn)應(yīng)力集中趨勢(shì)。(2)從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，上覆頂板初次跨落的步距在10m～14m，周期來(lái)壓步距約8m～10m；而實(shí)際觀測(cè)頂板初次來(lái)壓步距13.8m，周期來(lái)壓步距為10.8m，而且礦壓顯現(xiàn)不是很明顯，實(shí)測(cè)結(jié)果基本與模擬結(jié)果相吻合，這說(shuō)明模擬結(jié)果可作為實(shí)際來(lái)壓步距的參考。

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Study on Thin Bedrock Roof Failure in Dianping M ine

GUO Hui1,WANG Peng2
(1.Dianping Mine,Huozhou Coal Electricity Co.,Shanxi Coking Coal Group,Fangshan Shanxi033102；2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

In view of super-thin overlying bedrock,poor self-stability,weak carrying capacity,difficult roofmanagement of working faces in Dianpingmine,the study bases on pressuremeasured on 5302 first mining face and then uses FLAC3D to simulate roofs on different levels during the driving.At last,the overlying bedrockmovementand damage evolutionmechanism are analyzed to provide the evidence for safe and efficient production.

thin bedrock;overburden failure;numerical simulation;pressure step

TD325+.1

A

1672-5050（2011）09-0024-03

2011-04-12

郭 暉（1986—），男，山西呂梁人，大專，從事煤炭技術(shù)管理工作。

劉新光