柴 巖

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荊寶煤礦堅硬頂板初次來壓步距規(guī)律

柴 巖

(長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治市 046600)

采場堅硬頂板發(fā)生事故概率較大，易壓垮支架，造成沖擊地壓現(xiàn)象。晉能集團(tuán)荊寶煤礦頂板堅硬，難以隨工作面的推進(jìn)及時垮落，出現(xiàn)大面積懸頂。在理論分析和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對該煤層不同厚度頂板初次來壓步距進(jìn)行研究，得出老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嚯S著老頂巖層厚度的增加而增大的結(jié)論。

堅硬頂板；初次來壓步距；巖層厚度

晉能集團(tuán)荊寶煤礦位于長治市襄垣縣，現(xiàn)開采10號煤層，平均煤厚1.75 m，埋深240 m，100101工作面走向長度570 m，切眼長度為150 m，近水平煤層。頂板為石灰?guī)r，硬度大、完整性好；工作面采用后退式走向長壁采煤法綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板。

1 關(guān)鍵層失穩(wěn)特征分析

隨著工作面的推進(jìn)，直接頂破斷失穩(wěn)，隨后老頂懸露，懸露面積不斷增大，當(dāng)達(dá)到極限垮距時，老頂也破斷跨落。荊寶煤礦10號煤層平均煤厚1.75 m，老頂初次破斷后形成三鉸拱式結(jié)構(gòu)[1-5]，如圖1所示。

圖1 老頂拱式結(jié)構(gòu)

圖1中的A、B和C 3個點為拱式結(jié)構(gòu)的3個鉸點，且C點位于AB兩點的上方，為圍巖對老頂?shù)乃阶饔昧Γ瑸閹r層自重，A和B為摩擦力，為結(jié)構(gòu)長度，為變形量，為厚度，為擠壓接觸面高度。當(dāng)拱式結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡時，滿足

??＞0 (1)

同時滿足

=sin+cos?sin2(2)

式中，為老頂回轉(zhuǎn)角，可用以下公式計算：

將式(4)代入式(1)可得：

＞1.5(5)

當(dāng)巖塊厚度大于擠壓接觸面高度的1.5倍時，破斷老頂可形成平衡的拱式結(jié)構(gòu)。的最大值由采高和直接頂厚度計算得出：

max=?(p?1) (6)

式中，為煤層開采高度；為采場頂板垮落帶高度；P為巖體的碎脹系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計算采場冒落帶高度為6.8 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

以荊寶煤礦100101工作面為依據(jù)，建立UDEC數(shù)值計算模型，模擬工作面走向長度100 m，埋深300 m，模型高度136 m，煤體單元尺寸為0.5 m×1 m，石灰?guī)r單元尺寸為1 m×1 m，各巖層單元塊體的尺寸隨著層位的增加而增大。由于頂板的石灰?guī)r厚度為6~8 m，為了探究不同厚度老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嘁?guī)律，對6 m和8 m的老頂分別進(jìn)行研究。

2.2 6 m老頂初次來壓模擬結(jié)果分析

圖2為工作面推進(jìn)26 m時采場上覆巖層變形云圖，由圖2可知巖層最大變形量為1.1 m，位于工作面中部，從中部到端頭覆巖變形減緩，老頂形成彎曲向下的拱狀結(jié)構(gòu)，而且發(fā)生明顯的離層現(xiàn)象。

圖3為工作面推進(jìn)距離27 m時采場上覆巖層變形云圖，由圖3可知破斷失穩(wěn)的老頂巖層發(fā)生大范圍的垮落，垮落高度為6 m，老頂初次來壓。由此判斷6 m老頂初次來壓步距為27 m。

圖2 工作面推進(jìn)26 m時上覆巖層變形云圖

圖3 工作面推進(jìn)27 m時上覆巖層變形云圖

2.3 8 m老頂初次來壓模擬結(jié)果分析

圖4為工作面推進(jìn)29 m時的采場上覆巖層變形云圖，由圖4可知高層位老頂巖層的變形量大，離層高度也達(dá)到了4 m，工作面中部變形量大，從中部到端頭覆巖變形減緩，老頂形成彎曲向下的拱狀結(jié)構(gòu)。

圖4 工作面推進(jìn)29 m時上覆巖層變形云圖

圖5為工作面推進(jìn)30 m時的采場上覆巖層變形云圖，由圖5可知破斷失穩(wěn)的老頂巖層發(fā)生大范圍的垮落，垮落高度為9 m，離層高度也達(dá)到了13 m，老頂初次來壓。由此判斷8 m老頂初次來壓步距為30 m。

圖5 工作面推進(jìn)30 m時的覆巖變形云圖

3 結(jié) 論

晉能集團(tuán)荊寶煤礦10號煤層頂板堅硬，經(jīng)數(shù)值模擬計算，采場老頂為6 m厚時，工作面初次來壓步距為27 m；采場老頂為8 m厚時，工作面初次來壓步距為30 m，分析可知，老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嚯S著老頂厚度的增加而增大。

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(2018?11?06)

柴 巖(1988—)，男，山西省長子縣人，主要從事煤礦開采工作，Email: 632626381@qq.com。