劉 康 侯會(huì)偉 武泉林

(1.山東天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司星村煤礦；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

堅(jiān)硬頂板工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬*

劉 康1侯會(huì)偉1武泉林2

(1.山東天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司星村煤礦；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

采用3DEC數(shù)值模擬軟件，研究了堅(jiān)硬頂板工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，堅(jiān)硬頂板條件下工作面初次來(lái)壓步距和周期來(lái)壓步距及來(lái)壓強(qiáng)度大于普通工作面；工作面第一層細(xì)粒砂巖初次來(lái)壓步距為70 m，周期來(lái)壓步距約為40 m；第二層石英砂巖初次來(lái)壓步距為40 m，周期來(lái)壓步距約為20 m。

堅(jiān)硬頂板 數(shù)值模擬 覆巖運(yùn)動(dòng) 初次來(lái)壓

堅(jiān)硬頂板是指厚度大、強(qiáng)度高(單向抗壓強(qiáng)度大于80 MPa)、整體性(完整性)較好的煤層頂板巖層[1-2]。在我國(guó)已知的堅(jiān)硬頂板主要分布在山西大同、河南永城、新疆艾維爾溝、阿艾等礦區(qū)，其特點(diǎn)是開(kāi)采后工作面頂板(一般以老頂居多)大面積懸露，不易自然垮落，而一旦出現(xiàn)垮落，則波及范圍巨大，形成局部“颶風(fēng)”或“礦震”，導(dǎo)致突發(fā)性災(zāi)害事故。當(dāng)煤層埋藏條件復(fù)雜，如煤層傾角大、厚度大時(shí)，堅(jiān)硬頂板引發(fā)的災(zāi)害問(wèn)題將愈加突出，開(kāi)采這類煤層只能用“刀柱”、“巷柱”等這類落后的開(kāi)采方法，導(dǎo)致工作面產(chǎn)量低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，安全得不到保證。

夏闊坦煤礦頂板多為砂巖，頂板強(qiáng)度大，開(kāi)采過(guò)程中易形成大面積懸頂，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)造成很大的威脅，受此制約，礦井大量的優(yōu)質(zhì)煤炭資源呆滯和浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了礦井發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高[3]。研究掌握?qǐng)?jiān)硬頂板條件下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從根本上解決堅(jiān)硬頂板厚煤層的開(kāi)采問(wèn)題，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)及開(kāi)采條件

夏闊坦煤礦1007工作面為首采區(qū)工作面，位于主斜井以西，1005工作面西部，工作面上方115 m左右為下5煤采空區(qū)，主采煤層為下10煤。地面為戈壁灘山地地貌，工作面采高3 m，放頂煤1.2～ 3.9 m，回采造成的冒裂帯范圍深度可達(dá)120 m，但由于地表基巖裸露，裂隙對(duì)地面的影響不大，很難造成地面塌陷。

2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)夏闊坦下10煤賦存條件和工程地質(zhì)條件，建立下5煤層、1005工作面和1007工作面三維離散元數(shù)值模型。模型尺寸為400 m(長(zhǎng))×400 m(寬)×160 m(高)，共選取33層巖層，劃分了36 079個(gè)塊體。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖1 下10煤層開(kāi)挖離散元數(shù)值模型

2.1 模擬方案

為了更逼真的研究夏闊坦下10煤開(kāi)采上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況，模型四周各留50 m煤柱，并根據(jù)煤層開(kāi)采參數(shù)和開(kāi)采順序設(shè)計(jì)開(kāi)采方案：①首先進(jìn)行下5煤層開(kāi)挖，工作面長(zhǎng)度為160 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m；②1005工作面開(kāi)挖，工作面長(zhǎng)度100 m，走向推進(jìn)300 m，根據(jù)研究的需要，每次開(kāi)挖50 m平衡一次，共分3次開(kāi)挖；③1007工作面開(kāi)挖，工作面長(zhǎng)度150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度300 m，為了研究1007工作面初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距以及補(bǔ)充風(fēng)巷開(kāi)挖后上覆巖層運(yùn)動(dòng)情況，該工作面開(kāi)始推進(jìn)步距為10 m平衡一次，然后再進(jìn)行回采，共推進(jìn)100 m，開(kāi)挖補(bǔ)充風(fēng)巷，然后每20 m開(kāi)挖一次，直至300 m開(kāi)挖結(jié)束。

2.2 堅(jiān)硬頂板覆巖運(yùn)動(dòng)特征

2.2.1 下5煤層開(kāi)挖覆巖運(yùn)動(dòng)情況

如圖2所示，下5煤工作面開(kāi)挖后，其上覆巖層發(fā)生垮落，形成“O-X”型破斷。采空區(qū)中部上覆巖層開(kāi)采時(shí)形成的裂隙發(fā)生閉合，下部垮落矸石重新被壓實(shí)，形成壓實(shí)區(qū)。在采空區(qū)四周，由于煤壁和采空區(qū)矸石支承作用，基本頂巖層之間裂隙較發(fā)育，在整個(gè)采空區(qū)四周形成“O”型裂隙圈。

圖2 下5煤層工作面開(kāi)挖上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征

2.2.2 1007工作面覆巖運(yùn)動(dòng)特征

圖3為1007工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖運(yùn)動(dòng)情況。

圖3 1007工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖運(yùn)動(dòng)情況

如圖3所示，1007工作面開(kāi)切眼以后，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層頂板發(fā)生彎曲下沉；當(dāng)工作面推進(jìn)到30m時(shí)，1007工作面采空區(qū)上覆第一層細(xì)粒砂巖與第二層石英砂巖之間產(chǎn)生離層裂隙(如圖3(b)所示)，由此說(shuō)明，細(xì)粒砂巖強(qiáng)度比石英砂巖強(qiáng)度小，易于彎曲；當(dāng)工作面推進(jìn)到40m時(shí)，細(xì)粒砂巖中部出現(xiàn)斷裂裂隙，第一層巖層發(fā)生破斷，其初次來(lái)壓步距為40m(如圖3(c)所示)；圖3(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到70m時(shí)，石英砂巖端部和中間出現(xiàn)斷裂裂隙，第二巖層發(fā)生破斷失穩(wěn)，其初次來(lái)壓步距為70m；工作面第一巖層和第二巖層堅(jiān)硬巖層基本頂初次來(lái)壓結(jié)束后，隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層進(jìn)入到周期來(lái)壓階段，如圖3(e)所示。根據(jù)初次來(lái)壓分析可知，細(xì)粒砂巖強(qiáng)度小于石英砂巖，所以周期來(lái)壓步距小于石英砂巖周期來(lái)壓步距。根據(jù)3DEC數(shù)值模擬，第一巖層細(xì)粒砂巖周期來(lái)壓步距為20m，石英砂巖周期來(lái)壓步距約40m。

3 結(jié) 論

根據(jù)離散元軟件3DEC數(shù)值模擬分析，1005工作面開(kāi)采時(shí)，上覆巖層垮落后將會(huì)與下5煤層采空區(qū)導(dǎo)通。1007工作面第一層細(xì)粒砂巖初次來(lái)壓步距為70m，周期來(lái)壓步距約40m，第二層石英砂巖初次來(lái)壓步距為40m，周期來(lái)壓步距約20m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)40,70m時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)工作面支護(hù)，防止支架壓死，工作面應(yīng)加強(qiáng)沖擊地壓監(jiān)測(cè)。

[1] 趙學(xué)斌.綜采工作面堅(jiān)硬頂板水力壓裂技術(shù)[J].煤,2014(3):36-38.

[2] 張鵬銘，孫國(guó)飛．高壓射流式水煤漿的制備與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，32(6):34-37.

[3] 徐小龍.堅(jiān)硬頂板來(lái)壓預(yù)測(cè)及爆破參數(shù)快速設(shè)計(jì)[J].煤,2014(4):25-27.

Numerical Simulation Research on the Strata Movement Rule of Hard Roof Coal Face

Liu Kang1Hou Huiwei1Wu Quanlin2

(1.Xingcun Coal Mine,Shangdong Tian'an Mining Group Co.,Ltd.;2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology)

The starta movement rule of hard roof coal face is researched based on 3DEC numerical simulation software.The research results show that,the first pressure step distance,periodic weighting interval and periodic weighting strength of working face under the condition of hard roof are greater than that of the ordinary working face.The first pressure step distance of the first layer of fine grained sandstone of working face is 70 m,the periodic weighting interval is 40 m;the first pressure step distance of the second layer of fine grained sandstone of working face is 40 m,the periodic weighting interval is 20 m.

Hard roof, Numerical simulation, Strata movement, First pressure

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51374139)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：ZR2013EEM018)。

2014-10-10)

劉 康(1985—)，男，273100 山東省曲阜市星村煤礦。