綜采工作面堅(jiān)硬頂板上覆巖層“三帶”高度研究

張文平

（晉圣公司億欣煤業(yè)生產(chǎn)部，山西 晉城 048006）

堅(jiān)硬頂板工作面回采后，可能會(huì)造成頂板大面積來(lái)壓，影響工作面安全回采。通過(guò)分析工作面上覆巖層“三帶”高度，研究工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為工作面安全回采和支護(hù)提供依據(jù)[1-3]。億欣煤業(yè)15#煤平均厚度2.8m，頂板主要由粉砂巖、細(xì)沙巖構(gòu)成，巖層強(qiáng)度大，工作面周期來(lái)壓步距大，容易造成大面積懸頂。當(dāng)頂板大面積來(lái)壓時(shí)，瞬間釋放的能量大，易造成人員傷亡和設(shè)備的損壞。因此，分析工作面頂板裂隙帶、彎曲帶和垮落帶，能夠?yàn)?5#煤層其他工作面的布置、煤柱留設(shè)、巷道支護(hù)、回采控制等提供可靠的礦壓基礎(chǔ)資料，為礦井安全生產(chǎn)提供有效保障。

1 工作面概況

XV2302工作面位于二水平九四盤(pán)區(qū)，地面標(biāo)高843～972m，煤層底板標(biāo)高590～604m，主采煤層15#煤，平均厚度2.8m。工作面的直接頂板為粉砂巖層，平均厚約3.93m，直接頂普氏硬度f(wàn)=3～4，視密度2.75t/m3，單軸抗壓強(qiáng)度69.8MPa，頂板強(qiáng)度高。XV2302工作面為兩硬圍巖工作面，回采后礦壓顯現(xiàn)比一般條件工作面更為劇烈，因此，需要對(duì)工作面上覆巖層“三帶”高度進(jìn)行研究，分析工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為工作面頂板支護(hù)提供依據(jù)。

2 工作面“三帶”相似模擬

由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段具有一定的局限性，不能直觀看到工作面覆巖運(yùn)動(dòng)情況，并且堅(jiān)硬頂板綜采工作面采場(chǎng)頂板巖層移動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，這就給采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究帶來(lái)了一定的困難[4-5]。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。建立長(zhǎng)×寬×高=4.0m×0.3m×2.0m的模型，在15#煤上方0.1m、0.4m、0.7m、1.0m處分別布置4條位移監(jiān)測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距為0.2m。

模型自左向右開(kāi)挖，每次開(kāi)挖步距為10cm，得到15#煤2302工作面回采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)模型開(kāi)挖至14.6cm位置時(shí)，直接頂初次來(lái)壓，來(lái)壓步距為14.6m；當(dāng)模型開(kāi)挖至32.0cm位置時(shí)，基本頂初次來(lái)壓，來(lái)壓步距為32.0m。基本頂周期來(lái)壓步距平均約15.8m，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本上為巖塊鉸接平衡，來(lái)壓特征較為明顯?；卷攣?lái)壓特征如表1所示。

圖1 XV2302工作面回采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征

由圖1、表1可知，XV2302工作面回采后，上覆巖層受動(dòng)壓影響，直接頂、基本頂會(huì)發(fā)生大面積來(lái)壓，頂板會(huì)逐漸垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)至距切眼12m處時(shí)，頂板開(kāi)始出現(xiàn)離層，隨著工作面向前推進(jìn)，離層的高度逐漸增大。當(dāng)工作面推進(jìn)至距切眼22m處時(shí)，離層裂隙增長(zhǎng)至9m，此時(shí)，工作面頂板垂直方向開(kāi)始出現(xiàn)裂隙。工作面繼續(xù)推進(jìn)，離層與縱向裂隙相互影響。當(dāng)工作面推進(jìn)至距切眼32m處時(shí)，基本頂初次來(lái)壓，離層繼續(xù)沿著垂直方向向上發(fā)展，頂板開(kāi)始出現(xiàn)斜交裂隙，并隨著工作面推進(jìn)呈周期發(fā)展。當(dāng)基本頂發(fā)生周期來(lái)壓時(shí)，橫縱裂隙相互作用，頂板呈現(xiàn)巖層組整體垮落下沉。

表1 XV2302回采后基本頂來(lái)壓特征

當(dāng)XV2302工作面推進(jìn)至115m時(shí)，上覆巖層“三帶”基本形成。根據(jù)相似模擬試驗(yàn)測(cè)算可知，垮落帶高度約為5.8m，裂隙帶高度約27.2m，直接頂、直接頂初次來(lái)壓步距及頂板運(yùn)動(dòng)特征與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。

3 工作面礦壓顯現(xiàn)特征

3.1 模擬方案

采用FLAC3D數(shù)值模擬XV2302工作面推進(jìn)至不同距離時(shí)支承壓力分布情況[6-7]。根據(jù)2203工作面地質(zhì)條件，建立150m×100m×160m的力學(xué)模型，材料參數(shù)如表2所示，垂直方向施加5.5MPa應(yīng)力，水平側(cè)壓系數(shù)為1。

表2 工作面材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）超前支承壓力

采用FLAC3D模擬得到XV2302工作面推進(jìn)至20m、40m、60m位置處工作面超前支承壓力云圖，如圖2所示。

由圖2可知，XV2302工作面推采后，圍巖應(yīng)力重新分布。當(dāng)推進(jìn)至距切眼20m處時(shí)，煤壁前方及工作面采空區(qū)后方圍巖垂直應(yīng)力明顯增高，在工作面前后出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，超前支承壓力峰值為27MPa，影響范圍30m，峰值距煤壁11m。當(dāng)推采至距切眼40m處時(shí)，由于頂板懸露面積增大，導(dǎo)致工作面前后支承壓力值也有一定幅度的增大，超前支承壓力峰值為36MPa，影響范圍35m，峰值距煤壁10m。當(dāng)推進(jìn)至距切眼60m處時(shí)，超前支承壓力峰值為35MPa，影響范圍35m，峰值距煤壁10m。

圖2 XV2302工作面不同推進(jìn)距離超前支承壓力圖

由此可知，XV2302工作面來(lái)壓期間超前支承壓力峰值為27～35MPa，影響范圍為前方0～35m，峰值區(qū)距煤壁10m。受工作面頂?shù)装鍡l件影響周期來(lái)壓期間支承壓力峰值區(qū)較常規(guī)工作面前移。

（2）側(cè)向支承壓力

采用FLAC3D模擬得到XV2302工作面?zhèn)认蛑С袎毫υ茍D，如圖3所示。

圖3 XV2302工作面不同推進(jìn)距離側(cè)向支承壓力圖

由圖3可知，XV2302工作面兩端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中，側(cè)向支承壓力影響范圍為11.90m。其中距工作面?zhèn)认?.35m范圍為影響劇烈范圍，應(yīng)力峰值為12.09MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.51，峰值位置側(cè)向距離較小，約為0.45m。

4 巷道圍巖變形量分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)XV2302工作面回風(fēng)巷圍巖變形量，對(duì)支承壓力數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。共布置1～4#測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10m，當(dāng)工作面推進(jìn)50m后觀測(cè)巷道圍巖變形量。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，XV2302工作面回風(fēng)巷在超前工作面35m左右開(kāi)始出現(xiàn)移近變化，但變形量和變形速率小。在工作面前方約20m處時(shí)，巷道圍巖變形量和變形速度大幅度增加，在工作面前方10m處達(dá)到峰值，巷道最大頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為13mm、18mm、27mm。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)相似模擬試驗(yàn)?zāi)M工作面回采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到XV2302工作面上覆巖層“三帶”高度。根據(jù)模擬結(jié)果可知，垮落帶高度約為5.8m，裂隙帶高度約27.2m。

（2）采用FLAC3D模擬工作面不同推采距離支承壓力。根據(jù)模擬結(jié)果可知，15#煤工作面支承壓力峰值和影響范圍較常規(guī)工作面大，工作面超前支承壓力峰值為27～35MPa，影響范圍為前方0～35m，峰值區(qū)距煤壁10m；側(cè)向支承壓力影響范圍為11.90m，應(yīng)力峰值為12.09MPa，峰值位置側(cè)向距離0.45m。

（3）通過(guò)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)巷圍巖變形量對(duì)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，在工作面前方10m處圍巖變形量達(dá)到峰值，最大頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別為13mm、18mm、27mm。