李世慧

（潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治046299）

1 工作面概況

潞安集團(tuán)夏店煤礦3111綜采工作面位于31采區(qū)，工作面東面與西面分別為3109工作面與3105工作面采空區(qū)，南面和北面分別為采區(qū)大巷保安煤柱何叢城保安煤柱。工作面開(kāi)采山西組中下部3＃煤層，煤層穩(wěn)定，含一層夾矸，平均厚度為5.93m，工作面直接頂為1～3m厚的泥巖，致密性強(qiáng)，含植物化石及煤屑，上部含砂巖；老頂為5～15m的淺灰色細(xì)砂巖，灰色中細(xì)粒含長(zhǎng)石石英雜砂巖夾薄煤層砂質(zhì)泥巖，具板狀交錯(cuò)層理，底板為6.8～9.01m細(xì)砂巖。

2 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬以夏店煤礦3111綜采工作面為研究背景，該工作面走向長(zhǎng)1170m，傾斜長(zhǎng)225m，煤層平均傾角8°，平均厚度5.93m，埋深380m，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。

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（見(jiàn)圖1），模型走向長(zhǎng)360m，傾向?qū)?50 m，煤層傾角為8°，每個(gè)單元的長(zhǎng)大致為3.6m，高為1.05 m，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。

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

3.1 3111工作面切眼未放頂時(shí)初次來(lái)壓分析

3＃煤層的頂板細(xì)砂巖為堅(jiān)硬頂板，為了研究未經(jīng)放頂時(shí)隨工作面推進(jìn)細(xì)砂巖的破壞情況，取工作面推進(jìn)50m為參考，分別為20m、30m、40m、50m時(shí)進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2中a、b、c、d為細(xì)砂巖老頂在不同推進(jìn)距離時(shí)頂板的塑性破壞情況。工作面推進(jìn)20m時(shí)，由于煤層挖空，工作面上方的直接頂約1.2m范圍內(nèi)部分出現(xiàn)剪切破壞，上方的細(xì)砂巖基本沒(méi)有什么變化；工作面推進(jìn)到30m時(shí)，細(xì)砂巖下方的直接頂基本上都被破壞，而細(xì)砂巖層基本沒(méi)有破壞；工作面推進(jìn)到40m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，細(xì)砂巖層受到的應(yīng)力增大，此時(shí)巖層的下層位在采空區(qū)中部附近約1.2m左右出現(xiàn)了拉伸剪切破壞，但未貫穿10m厚的砂巖層，頂板沒(méi)有大面積的破壞；工作面推進(jìn)到50m時(shí)，細(xì)砂巖的破壞在增大，下層的細(xì)砂巖在切眼和工作面的位置的2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，頂板細(xì)砂巖不會(huì)整體垮落，說(shuō)明未放頂時(shí)，細(xì)砂巖的初次來(lái)壓步距大于50m。

圖2 未放頂時(shí)煤巖層破壞狀態(tài)

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5.93m，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3 未放頂時(shí)煤巖層垂直應(yīng)力

圖3 中a、b、c、d為未放頂時(shí)工作面不同距離時(shí)工作面附近垂直應(yīng)力分布情況，工作面分別推進(jìn)到20m、30m、40 m、50m時(shí)，工作面煤壁側(cè)的最大超前支撐壓力分別為18 MPa、20MPa、22MPa、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)。

3.2 3111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)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)3111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細(xì)砂巖全部貫穿垮落，圖4、圖5分別為工作面推進(jìn)20m、25m、30m的煤巖層的破壞狀態(tài)。

圖4 放頂時(shí)煤巖層破壞狀態(tài)

圖4 中a、b、c為經(jīng)過(guò)切眼放頂后不同推進(jìn)距離時(shí)工作面頂?shù)装宓乃苄云茐那闆r。工作面推進(jìn)20m時(shí)，由于煤層挖空，工作面上方的直接頂約1.2m范圍內(nèi)基本都出現(xiàn)剪切破壞，即隨工作面的開(kāi)采冒落，下層的細(xì)砂巖與工作面相交的頂角位置出現(xiàn)了約2.5m的剪切破壞；工作面推進(jìn)到25m時(shí)，細(xì)砂巖與工作面相交的頂角位置出現(xiàn)了剪切破壞不斷擴(kuò)大達(dá)到了4.8m左右，破壞進(jìn)一步增大；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，細(xì)砂巖層受到更大的應(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)細(xì)砂巖層，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。

圖5 放頂時(shí)煤巖層破壞狀態(tài)

由圖5中a、b、c煤巖層垂直應(yīng)力圖可知，經(jīng)過(guò)放頂后工作面煤壁側(cè)的超前支撐壓力相較于不進(jìn)行放頂時(shí)，相對(duì)減小，當(dāng)工作面推進(jìn)到30m時(shí)，煤壁側(cè)的超前支撐壓力為22MPa，此時(shí)，頂板細(xì)砂巖將會(huì)垮落，工作面進(jìn)入周期來(lái)壓，煤壁側(cè)的支撐壓力變化將會(huì)形成周期性的增加和減小，不會(huì)一直使煤壁側(cè)的支撐壓力增大。對(duì)比未放頂時(shí)，20m和30m的應(yīng)力圖可以發(fā)現(xiàn)，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)力的增大使細(xì)砂巖垮落，及時(shí)充填采空區(qū)，避免工作面形成大面積的懸頂。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)3111工作面實(shí)際條件的現(xiàn)場(chǎng)模擬，當(dāng)切眼未放頂，工作面推進(jìn)到50m時(shí)，巖層整體的破壞范圍也很小，頂板不會(huì)整體垮落。

2）切眼進(jìn)行放頂，工作面推進(jìn)到30m時(shí)，細(xì)砂巖與工作面相交處的區(qū)域破壞的基本上貫穿了整個(gè)細(xì)砂巖層，工作面初次來(lái)壓的步距大致為30m左右。

3）通過(guò)對(duì)3111綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為工作面回采期間加強(qiáng)頂板管理提供依據(jù)，對(duì)工作面的安全回采具有一定的意義。