胡萬勝

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長治046100）

大采高長壁開采是厚煤層開采的主要方法，在我國大同、邢臺(tái)、神東、晉城等礦區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用〔1〕，隨著工作面采高的增加，煤壁片幫、支架失穩(wěn)等問題逐漸增加，對(duì)于松軟煤層大采高工作面表現(xiàn)尤為顯著〔2－5〕，研究發(fā)現(xiàn)，這些問題與工作面頂板結(jié)構(gòu)與運(yùn)移破斷規(guī)律密切相關(guān)〔5〕。因此，有必要掌握松軟煤層大采高工作面頂板破斷規(guī)律用于指導(dǎo)工作面開采。

1 工作面概況

圖1 3305工作面綜合柱狀

3305工作面位于礦井二采區(qū)東部，所采煤層為山西組3＃煤層，煤層質(zhì)軟易碎；煤層厚度為3.2～5.4m，平均厚度為4.5m；煤層傾角為1°～7°，平均為6.5°；煤層以光亮煤為主，局部可見半暗煤，整體呈現(xiàn)線理狀和層狀結(jié)構(gòu)，中間夾有0～0.7m的炭質(zhì)泥巖；該煤層可采系數(shù)為1，變異系數(shù)為1.3，煤體容重為1.43t／m3，整體屬于穩(wěn)定可采松軟厚煤層。3305設(shè)計(jì)走向長度和傾向長度分別為1976m和220m，沿傾向共布置 ZY12000－3.5／6.8液壓支架129臺(tái)。工作面煤層向上依次為炭質(zhì)泥巖～砂質(zhì)泥巖～煤層～炭質(zhì)泥巖～粉砂巖等，底板以砂質(zhì)泥巖為主，其中泥巖層較破碎，砂巖層節(jié)理裂隙發(fā)育（見圖1）。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模型的構(gòu)建

模擬采用FLAC－3D進(jìn)行，計(jì)算程序以拉格朗日算法為基礎(chǔ)。采用彈塑性材料建立摩爾～庫倫彈塑性本構(gòu)模型，以摩爾～庫倫屈服準(zhǔn)則來判斷巖體破壞。

考慮邊界效應(yīng)，設(shè)計(jì)模型的傾向長度（y）、走向長度（x）和垂直高度（z）分別為417m、340m和112m，其中煤層依照工作面平均煤厚4.5m計(jì)算。構(gòu)建的模型上方施加的垂直壓應(yīng)力值為模型上方巖層重量，該值由模型上覆巖層均厚經(jīng)計(jì)算確定為10.6MPa，模型左右側(cè)和底邊分別施以水平約束和垂直約束，3305工作面圍巖物理參數(shù)詳見表1。

表1 模型頂板各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果及分析

圖2 隨工作面推進(jìn)采空區(qū)上覆巖層破壞情況

3305工作面上覆巖層狀態(tài)變化模擬結(jié)果見圖2，由模 擬結(jié)果可知：隨著工作面的推進(jìn)，頂板裂隙明顯增加，當(dāng)推至距開切眼15～16m時(shí)直接頂由下到上冒落，冒落高度為8～9m，頂板裂隙約為17.4m；當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)，距離開切眼24～25m時(shí)，基本頂發(fā)生冒落，冒落高度為23～25m，頂板裂隙高度達(dá)到37.4m；隨著工作面的推進(jìn)，基本頂分別在距開切眼33～34m、42～44m、52～53m、63～65m和75～76m范圍內(nèi)出現(xiàn)周期性的冒落現(xiàn)象，周期冒

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在3305工作面的機(jī)頭、尾、上、中、下部布置觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站布置2條側(cè)線，側(cè)線分別對(duì)應(yīng)5＃、6＃、31＃、32＃、60＃、61＃、90＃、91＃、124＃、125＃液壓支架，在測(cè)線對(duì)應(yīng)的液壓支架上各安裝1臺(tái)尤洛卡，尤洛卡可以對(duì)液壓支架載荷進(jìn)行實(shí)施記錄，所記錄數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行落高度最大可達(dá)23.5m，頂板裂隙帶高度最大可達(dá)56m，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板裂隙高度保持為56m左右。綜上分析可知：工作面初次來壓步距為24～25m，周期來壓步距為9～12m，平均周期來壓步距為11m左右；工作面冒落帶高度為23.5m，裂隙帶高度為56m，裂隙帶向上為彎曲下沉帶。采集。將尤洛卡數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表2）。由表2可知，3305工作面初次來壓步距為24.86m，前五次周期來壓步距為10.72m、9.56m、11.74m、10.62m和11.66m，平均周期來壓步距為10.86m。分析工作面各部分來壓步距可知，機(jī)頭部來壓步距較大，機(jī)尾部較小，整個(gè)工作面呈現(xiàn)來壓不均勻現(xiàn)象。

表2 3305工作面頂板來壓特征分析

4 結(jié)語

綜上可知，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得結(jié)果一致性較好，所得3305松軟煤層大采高工作面頂板破斷規(guī)律為：工作面頂板初次垮落步距為25m左右，平均周期來壓為11 m左右；在工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)上覆巖層裂隙由下而上逐漸發(fā)育，垮落帶高度約為23m，導(dǎo)水裂隙帶高度約為55m，再往上為彎曲下沉帶；整個(gè)工作面呈現(xiàn)來壓不均勻現(xiàn)象，機(jī)頭部來壓步距較大，機(jī)尾部較小，考慮到松軟煤層物理圍巖特性和工作面地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，在使用數(shù)值模擬進(jìn)行研究頂板破斷規(guī)律時(shí)應(yīng)輔助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

〔1〕李洪彪 .趙莊礦松軟煤層大采高工作面礦壓規(guī)律及圍巖控制研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2012.

〔2〕何鵬飛，弓培林 .大采高采場(chǎng)覆巖整體結(jié)構(gòu)及控制研究〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：36－38.

〔3〕孔德森，孟慶輝，張偉偉，等 .綜采工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)與破壞規(guī)律研究〔J〕.煤，2008，17（6）：5－8.

〔4〕宋振騏 .實(shí)用礦山壓力與控制〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

〔5〕尚 斌，關(guān)東旭，李曉輝，等 .三軟煤層礦山壓力控制方法淺談〔J〕.中州煤炭，2010，（10）：45.