賈斌

【摘要】為研究堅(jiān)硬頂板大采高條件下綜采工作面懸頂面積過(guò)大的問(wèn)題，以山西凌志達(dá)煤礦15101工作面為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法，通過(guò)模擬15101工作面在初采時(shí)切眼不同情況下采場(chǎng)圍巖的塑性破壞情況、垂直應(yīng)力和煤壁側(cè)支撐壓力分布規(guī)律，得出切眼頂板預(yù)裂是有效可行的，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了指導(dǎo)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】堅(jiān)硬頂板；大采高；頂板預(yù)裂；數(shù)值模擬

Numerical Simulation of Roof Pre-splitting on Hard Roof Open-off Cuts Pre-splitting in Fully Mechanized Working Face

JIA Bin

（Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China）

【Abstract】In order to study the large roof overhang problems in great mining height mechanized mining face under hard roof conditions ,based on Shanxi Lingzhida mine 15101 face, used numerical simulation methods, simulated 15101 face cut in the early pre-cut mining under different plastic case stope rock damage circumstances, vertical stress and support law distribution in the coal wall side, obtained pre-cut in the roof fissure is feasible, provided guidance for the field trial basis.

【Key words】Hard roof;Large mining height; Open-off cuts pre-splitting; Numerical simulation

0前言

長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采絕大多數(shù)采用全部垮落法處理頂板，頂板能夠隨著工作面推進(jìn)而自行垮落是長(zhǎng)壁工作面實(shí)現(xiàn)安全回采的首要條件[1-3]。堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度高，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，整體性和自穩(wěn)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)煤層頂板為堅(jiān)硬難垮落頂板時(shí)，回采過(guò)程中容易形成大面積懸頂。當(dāng)頂板大面積突然垮落時(shí)極易形成颶風(fēng)和強(qiáng)沖擊載荷，容易造成人員傷亡和設(shè)備損壞，而且容易造成瓦斯瞬間涌出，誘發(fā)瓦斯重特大事故，當(dāng)煤巖體有沖擊傾向性時(shí)，還容易誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害[4-6]。

1工程概況

15101工作面位于井田中部，東側(cè)為15#層集中回風(fēng)大巷，南部、北部均為未開(kāi)采煤田，西至莊頭斷層約600m，上部有3#煤層3301、3305、3307、3308工作面采空區(qū)。該工作面煤層最大厚度4.2m，最小厚度3.5m，平均煤厚3.85m；煤層傾角除700～900m處最大坡度達(dá)13°外其余平均1°～3°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

15號(hào)煤層位于太原組下部，上距K2石灰?guī)r0-3.00m。煤層穩(wěn)定全區(qū)可采。頂板為炭質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖或炭質(zhì)泥巖。

基本頂：K2灰?guī)r，厚度為5.75~8.93m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑，方解石，致密堅(jiān)硬；

直接頂：泥巖，厚度為0.6~2.0m：黑色、質(zhì)地較密；

偽頂：炭質(zhì)泥巖，厚度為0.05~0.2m，黑色，質(zhì)地松軟，隨采隨落；

底板：泥巖及黃鐵礦泥巖，平均厚度12.88m，黑色,含黃鐵礦，有黃金色碎屑。

2數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬以凌志達(dá)礦井15101綜采工作面為研究背景，該工作面走向長(zhǎng)2240m，傾斜長(zhǎng)175m，煤層平均傾角1°，平均厚度4.2m，埋深290m。模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布特征，并提取各單元的應(yīng)力、應(yīng)變值。

（1）煤巖體力學(xué)參數(shù)確定

模擬計(jì)算巖體理力學(xué)參數(shù)參見(jiàn)表１。

（2）模型的建立

為了掌握關(guān)于堅(jiān)硬頂板的控制方案，將模擬堅(jiān)硬頂板綜采工作面在開(kāi)采過(guò)程中未進(jìn)行切眼放頂和進(jìn)行切眼放頂時(shí)，工作面在推進(jìn)的過(guò)程中頂板塑性區(qū)的變化情況，建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示，模型走向長(zhǎng)360m，傾向?qū)?50m，煤層傾角為1°。每個(gè)單元的長(zhǎng)大致為3.6m，高為1.05m，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng)。

整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：

①建立數(shù)值模型，給定邊界力學(xué)與位移條件，并完成初始應(yīng)力平衡；

②采用一次采全高進(jìn)行開(kāi)采，并運(yùn)算平衡；

③分析數(shù)值模擬結(jié)果。

表１主要煤巖層數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)

圖1三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

1）15101工作面切眼未放頂時(shí)初次來(lái)壓分析

凌志達(dá)煤礦15#煤層的頂板K2灰?guī)r為堅(jiān)硬頂板，為了研究未經(jīng)放頂時(shí)隨工作面推進(jìn)K2灰?guī)r的破壞情況，取工作面推進(jìn)50m為參考，對(duì)工作面推進(jìn)至50m時(shí)進(jìn)行模擬。

圖2中為K2石灰?guī)r老頂在推進(jìn)50m時(shí)頂板的塑性破壞情況，工作面推進(jìn)到50米時(shí)，由于采空區(qū)的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，下層的石灰?guī)r在切眼和工作面的位置的兩個(gè)頂角位置出現(xiàn)了約3m的破壞，頂板中央的破壞的區(qū)域也在增大，但破壞的整體范圍也很小，頂板K2灰?guī)r不會(huì)整體垮落。說(shuō)明未放頂時(shí)，堅(jiān)硬頂板K2灰?guī)r的初次來(lái)壓步距大于50m。

煤層頂板總的垮落高度，按最大破壞深度2.2m，但工作面的采高為4.2m，矸石無(wú)法完全填滿采空區(qū)。工作面長(zhǎng)度為175m，此時(shí)頂板的懸空面積達(dá)8750m2，頂板一旦突然產(chǎn)生大面積垮落，將會(huì)對(duì)工作面設(shè)備和支架形成很大的沖擊，易造成支架的壓死或形成工作面的颶風(fēng)，帶來(lái)生產(chǎn)事故。

圖2工作面推進(jìn)至50m時(shí)未放頂時(shí)煤巖層破壞狀態(tài)

圖3未放頂時(shí)工作面推進(jìn)至50m煤巖層垂直應(yīng)力圖

圖3為未放頂時(shí)工作面距離50m時(shí)工作面附近垂直應(yīng)力分布情況，工作面分別推進(jìn)到50m時(shí)，工作面煤壁側(cè)的最大超前支撐壓力分別為26MPa，由此看出在初次垮落前，超前支撐壓力值將隨工作面推進(jìn)的距離增加而增加。過(guò)大的支撐壓力會(huì)造成煤壁片幫，特別對(duì)兩順槽的超前支護(hù)帶來(lái)很大困難，從減小支撐壓力，保證煤壁及順槽的穩(wěn)定性角度也應(yīng)對(duì)頂板進(jìn)行處理。

從以上的垂直應(yīng)力圖中也可以看出，隨工作面的推進(jìn)，煤層上的支承壓力處在動(dòng)態(tài)變化之中。煤層開(kāi)挖后，出現(xiàn)明顯的支承壓力集中區(qū)，而在采空區(qū)內(nèi)底板上壓力則明顯降低。但隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力峰值逐漸增加，而采空區(qū)底板上的支承壓力也有逐漸增大的趨勢(shì)。

2）15101工作面切眼放頂時(shí)初次來(lái)壓分析

由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的切眼放頂后的礦壓數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的煤層頂板K2放頂?shù)南嗨颇M實(shí)驗(yàn)分析，切眼的放頂可以使頂板的初次來(lái)壓步距減小，現(xiàn)根據(jù)15101工作面實(shí)際的情況建立模型，設(shè)計(jì)切眼為4m，切眼處放頂使切眼上方的K2全部貫穿垮落，圖4為工作面推進(jìn)30m的煤巖層的破壞狀態(tài)。

圖4放頂時(shí)工作面推進(jìn)至50m時(shí)煤巖層破壞狀態(tài)

由圖4可以看出，工作面推進(jìn)到30m時(shí)，由于采空區(qū)的空間不斷增大，頂板上方的巖層重量不斷的增大，K2灰?guī)r層受到更大的應(yīng)力，此時(shí)巖層與工作面相較處的區(qū)域破壞的高度進(jìn)一步增大，達(dá)到了6.8m，基本上貫穿了整個(gè)K2灰?guī)r層，說(shuō)明頂板的梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了破斷，工作面初次來(lái)壓，初次來(lái)壓的步距大致為30m左右，在考慮到切眼的距離，步距在34m左右；放頂后煤壁側(cè)的支撐壓力相對(duì)會(huì)比不放頂時(shí)大，由于放頂后頂板形成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力的增大使K2石灰?guī)r垮落，及時(shí)充填了采空區(qū)，避免了工作面形成大面積的懸頂。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)15101工作面實(shí)際條件的現(xiàn)場(chǎng)模擬，當(dāng)切眼未放頂時(shí)，工作面推進(jìn)到50米巖層整體的破壞范圍很小，頂板K2灰?guī)r不會(huì)整體垮落，此時(shí)不僅采空區(qū)的懸空面積達(dá)到8750m2，故應(yīng)在切眼處進(jìn)行放頂；放頂后初次來(lái)壓的步距大致為30m左右，此時(shí)巖層與工作面相較處的區(qū)域破壞的高度進(jìn)一步增大，達(dá)到了6.8m，基本上貫穿了整個(gè)K2灰?guī)r層，保證了安全生產(chǎn)工作。

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［責(zé)任編輯：曹明明］