王長(zhǎng)云 張 蓓 張華磊

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

1 工程地質(zhì)概況

霍州礦區(qū)辛置煤礦2#煤2-102工作面標(biāo)高276～309m，平均埋深497m。工作面地表為農(nóng)田耕地和溝壑，黃土覆蓋平均厚度120m，基巖平均厚度335m。工作面煤層平均厚度3.81m，傾角3～8°，工作面采用傾斜長(zhǎng)壁法進(jìn)行開(kāi)采。

2 不同采高對(duì)采場(chǎng)頂板破斷規(guī)律的影響

當(dāng)工作面回采長(zhǎng)度超過(guò)頂板極限距時(shí)，頂板巖體初次垮落。由于頂板懸空，故不存在對(duì)頂板巖梁懸空段的反力，建立如圖1所示的力學(xué)模型圖。

圖1 大采高采場(chǎng)頂板初次破斷力學(xué)模型

在頂板未破斷之前，采場(chǎng)頂板可看成是彈性基礎(chǔ)梁上的彎曲，其地基反力為，p=ky根據(jù)梁的對(duì)稱性，取梁的一半長(zhǎng)l進(jìn)行力學(xué)分析，微分方程為：

式中：

q-分布載荷集度，即第一層硬巖（關(guān)鍵層）所控制的巖層對(duì)它的作用；

EI-基本頂?shù)目箯潉偠龋?/p>

k-Winkler地基彈性系數(shù)。

帶入有關(guān)邊界條件和連續(xù)條件可得：

式中：

設(shè)頂板巖梁內(nèi)的剪力為Q，彎矩為M，則有：

在x=-l處，即梁的中部，其彎矩為Ma，則：

當(dāng)y"'=0時(shí)，彎矩最大，其位置為xβ（煤壁前方），解得：

此處彎矩Mβ為：

考慮煤層對(duì)頂板的墊層作用后，頂板初次破斷極限步距可通過(guò)如下方法求得。

首先判別α，β大小，求得最大彎矩Mmax；再通過(guò)最大彎矩來(lái)判別巖梁是否破壞。

將α的表達(dá)式代入上式可得：

由上式解得l，則頂板的初次破斷距為：

若α＜β，則有：

將β的表達(dá)式代入上式得：

為了研究不同采高下老頂?shù)钠茢喾绞郊捌茢辔恢?，?yīng)進(jìn)一步確定頂板內(nèi)最大拉應(yīng)力及所在位置，從而需確定Mα、Mβ和xβ。對(duì)于Mα、Mβ大小的比較，可通過(guò)比較α與β的大小，若α大，則最大彎矩位于采空區(qū)中央截面，老頂在中央截面下部拉裂；否則，最大彎矩在煤層上方一段的老頂內(nèi)（坐標(biāo)為xβ），老頂發(fā)生超前斷裂。

為了說(shuō)明采高對(duì)頂板最大彎矩及其位置的影響，現(xiàn)取2-106工作面圍巖參數(shù)進(jìn)行分析，彈性模量E1=20.59MPa，厚度取為4m，煤層彈性模量為E0=2.6MPa，L=30m。

根據(jù)前面采高變化對(duì)老頂影響的分析，可判斷出2-106工作面覆巖中各巖層承載能力相當(dāng)，沒(méi)有明顯的關(guān)鍵層。

由計(jì)算結(jié)果比較分析，Winkler無(wú)限梁用在采場(chǎng)初次來(lái)壓礦壓模型上，有如下結(jié)論，如表1所示。

表1 初始破斷距隨采高演化

由此可知：覆巖各巖層承載能力相當(dāng)?shù)那闆r下，隨著采高的增加，頂板初次來(lái)壓步距有減小的趨勢(shì)，但減小幅度較小，可見(jiàn)采高的改變對(duì)頂板初次來(lái)壓步距基本沒(méi)有影響，工作面來(lái)壓步距主要取決于巖層的賦存狀況。

3 不同采高對(duì)采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

為了模擬分析不同采高對(duì)采場(chǎng)上覆巖層變形破壞及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，采用UDEC2D計(jì)算程序，建立如圖2所示的數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型。模型幾何尺寸為 ，模型底部邊界約束垂直方向運(yùn)動(dòng)，左右兩邊邊界約束水平方向運(yùn)動(dòng)，將上覆巖層以荷載形式均勻作用于模型的上部邊界，計(jì)算采用莫爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。

圖2 計(jì)算模型

建立不同采高采場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型來(lái)分析上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探求大采高采場(chǎng)的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。工作面從左向右推進(jìn)，依次推進(jìn)5m，總共開(kāi)挖13步，推進(jìn)65m。比較分析采高分別為2m、3m、4m、5m、6m、7m時(shí)，采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在工作面上方，布置3條水平測(cè)線監(jiān)測(cè)距離采空區(qū)垂直距離為 =4m，8m，14m位置處豎直位移分布情況，進(jìn)而分析冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的分布。

3.2 采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

（1）覆巖運(yùn)移規(guī)律

隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)距離超過(guò)頂板巖層的極限破斷距時(shí)，采場(chǎng)頂板開(kāi)始破斷下沉，以工作面推進(jìn)50m時(shí)為例進(jìn)行分析，采場(chǎng)覆巖的運(yùn)移狀圖如圖3所示。

圖3 不同采高采場(chǎng)覆巖位移云圖

由圖3知，工作面推進(jìn)50m時(shí)，老頂初次來(lái)壓已過(guò)，此時(shí)采高不同上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出差別：采高為2m時(shí)，冒落帶高度為4m；采高3m時(shí)，冒落帶高度為6m；老頂破斷后與下方已冒落直接頂接觸，冒落帶不再向上發(fā)育，其上方有離層發(fā)育。采高大于4m后，老頂破斷后不能形成結(jié)構(gòu)，其上軟巖層隨之向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入垮落帶，冒落帶高度增加。采高4m時(shí)，冒落帶高度為9m；采高5m時(shí)，冒落帶高度為13m；采高6m時(shí)，冒落帶高度為13m；采高7m時(shí)，冒落帶高度為16m。

（2）不同采高下覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

冒落帶高度隨采高變化示意圖如圖4所示。

圖4 冒落帶高度隨采高變化示意圖

由圖4可知，采高增大后，冒落帶的高度也隨之增加，導(dǎo)致劃入直接頂范圍的巖層厚度增大，且冒落帶高度與采高呈現(xiàn)非線性關(guān)系，在拐點(diǎn)處的突變與上覆巖層的關(guān)鍵層控制作用有關(guān)。

由圖5可知，從整體上而言，裂隙帶的高度、離層最大值隨著采高的增加而增加，主要是由于采場(chǎng)采高增加之后，上覆巖層回轉(zhuǎn)的空間增加，運(yùn)動(dòng)的自由度增加，當(dāng)巖層回轉(zhuǎn)角度增大時(shí)，作用于下方煤體的載荷也隨之增加，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈。

4 結(jié)論

本文以霍州辛置煤礦大采高工作面為工程背景，討論了采高對(duì)采場(chǎng)覆巖運(yùn)移特征的影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）覆巖各巖層承載能力相當(dāng)?shù)那闆r下，采高改變對(duì)頂板來(lái)壓步距基本沒(méi)有影響，工作面來(lái)壓步距主要取決于巖層的賦存狀況；

（2）隨著采高的增加，冒落高度增加，但并不呈線性關(guān)系，其拐點(diǎn)與關(guān)鍵層有關(guān)；裂隙帶高度、離層值也隨著采高的增加而增加，覆巖運(yùn)動(dòng)范圍和劇烈程度加大。

圖5 最大離層值隨采高變化示意圖