81109 工作面覆巖破壞規(guī)律及穩(wěn)定性研究

王靜民

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037000）

同煤集團(tuán)云岡礦首采81109 工作面在進(jìn)行開采過程中，由于煤層間的距離較小，煤層巷道的頂板受上覆煤層采動的影響，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不明，且液壓支架和巷道圍巖的關(guān)系也不清楚，給支護(hù)工作帶來一定的盲目性，影響安全生產(chǎn)[1]。因此，要對81109 工作面的覆巖規(guī)律進(jìn)行研究，為安全開采提供依據(jù)。

1 概況

81109 工作面開采11-2 號煤層，煤層賦存比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對簡單。煤層局部含有一層夾矸，呈單向傾斜布置。煤層平均厚度2.2 m，煤層傾角4°，工作面走向長度為1136 m，傾斜長度為119 m，與上覆7 號、8 號以及11-1 號煤層的層間距為49.91 m、41.29 m、3.2 m，在開采時兩巷沿頂板方向掘進(jìn)，具體布置如圖1[2]。11-1 號煤層已開采完，11-2 號煤層與11-1 號煤層的間距過小，上覆煤層開采時會嚴(yán)重破壞81109 工作面頂板，使回采巷道出現(xiàn)變形或破壞。

圖1 81109 工作面巷道布置圖

2 覆巖規(guī)律模擬分析

2.1 建立數(shù)值模擬模型

首先針對距離較近的煤層工作面建立離散數(shù)值模型，三維計算模型尺寸為800 m×400 m×259 m，采用UDEC 軟件對模型進(jìn)行分析。沿工作面水平方向進(jìn)行推進(jìn)，整個模型由六面體網(wǎng)格組成，其中，塊體使用摩爾庫倫模型，節(jié)理使用面接觸庫倫滑移模型[3]。同時，對模型的兩邊和底部進(jìn)行約束，限制位移邊界，對模型的頂部施加0.8 MPa 的靜載荷，對模型的兩邊各留設(shè)50 m 防水煤柱，對工作面回采巷道橫向掘進(jìn)300 m、豎直方向140 m 進(jìn)行模擬，整個模型包含196 000 個單元和207 959 個節(jié)點(diǎn)。

2.2 主應(yīng)力分布規(guī)律

通過長期對工作面主應(yīng)力的監(jiān)測，在巷道頂板較厚的區(qū)域，在工作面掘進(jìn)30 m 時，直接頂一般不會出現(xiàn)垮落，在工作面超前區(qū)域，會出現(xiàn)低應(yīng)力現(xiàn)象；在工作面掘進(jìn)70 m 時，就會出現(xiàn)頂板垮落，此時監(jiān)測的應(yīng)力曲線呈二次分布，兩側(cè)圍巖會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，周邊的裂隙開始發(fā)育；在工作面掘進(jìn)100 m 時，巷道頂板出現(xiàn)垮落，頂?shù)装暹M(jìn)入卸壓狀態(tài)，低應(yīng)力區(qū)域逐步擴(kuò)大，最大主應(yīng)力逐步增大，中部應(yīng)力區(qū)域逐步擴(kuò)大；在工作面掘進(jìn)160 m時，頂板垮落的巖體逐步被壓實(shí)，抵抗最大主應(yīng)力，使工作面的應(yīng)力呈現(xiàn)周期性變化。

2.3 塑性區(qū)分布規(guī)律

在覆巖變化過程中，根據(jù)破壞程度，選取工作面在掘進(jìn)30 m、70 m、100 m、160 m 時，分析巷道的塑性分布情況，如圖2。

圖2 不同掘進(jìn)距離塑性分布圖

從圖2 可以看出，兩巷煤壁的頂板最先遭到破壞，隨著工作面的不斷掘進(jìn)，上覆巖層的頂板出現(xiàn)大范圍的破壞，在頂板的中間以及兩巷端部都出現(xiàn)不同程度的拉伸破壞。

2.4 結(jié)構(gòu)位移特征規(guī)律

通過對工作面覆巖層巖體位移的監(jiān)測[4]，在工作面掘進(jìn)100 m 時，巷道頂板處的最大位移為0.4 m，巷道底板的最大位移為0.13 m，主要是來自豎直方向的位移，沒有出現(xiàn)大范圍的變形。隨著工作面繼續(xù)向前掘進(jìn)，在掘進(jìn)到160 m 后，巷道頂板的最大下沉量為3.2 m，巷道直接頂全部垮落，隨工作面的掘進(jìn)而呈周期性的垮落。

2.5 支承壓力分布規(guī)律

對工作面的超前支承壓力進(jìn)行模擬，如圖3 所示，可以看出，在工作面掘進(jìn)30 m 時，上覆巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中，在6 m 時應(yīng)力達(dá)到最大值，此時的支承壓力為9.8 MPa，離工作面越遠(yuǎn)的區(qū)域應(yīng)力越小；在周期來壓后，上覆巖層有很大一部分區(qū)域上承受支承壓力，在工作面掘進(jìn)70 m 時，在9 m 時應(yīng)力達(dá)到最大值，此時的支承壓力為13.1 MPa；在工作面掘進(jìn)100 m 時，最大支承壓力15.1 MPa；在工作面掘進(jìn)160 m 時，支承壓力有所下降，達(dá)到13.3 MPa。在整個開采過程中，支承壓力呈現(xiàn)動態(tài)變化。

圖3 支承壓力分布圖

3 穩(wěn)定性分析

通過對云岡礦11-2 號煤層81109 工作面上覆巖層位移規(guī)律的模擬分析，在掘進(jìn)期間，受集中應(yīng)力的影響，工作面的礦壓顯現(xiàn)明顯，在掘進(jìn)1000 m 內(nèi)，共出現(xiàn)24 次礦壓顯現(xiàn)，多處巷道頂板出現(xiàn)冒頂，巷道兩幫出現(xiàn)底鼓，支護(hù)的錨索被拉斷，嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)。因此，需要對掘進(jìn)巷道的應(yīng)力場進(jìn)行控制，保證巷道的變形在可以控制范圍內(nèi)。根據(jù)上覆巖層的結(jié)構(gòu)位移規(guī)律，對工作面的采放工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用端頭及超前支護(hù)的方案；對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，采用錨桿和錨索相結(jié)合的支護(hù)方式來進(jìn)行錨固；巷道兩幫變化規(guī)律沒有周期性，采用錨桿支護(hù)方式進(jìn)行錨固。掘進(jìn)巷道的斷面尺寸是5.3 m×3.4 m，錨桿長度2.2 m，直徑是18 mm，每排設(shè)計5 個孔，間距為1.2 m，錨索的長度是6.5 m，直徑是17.8 mm，每排設(shè)計2 個孔，間距為2.1 m。

在巷道頂板和兩幫處，安設(shè)監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)工作面掘進(jìn)距離布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。在進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化后，工作面掘進(jìn)100 m 時，頂板的最大位移量是0.31 m；工作面掘進(jìn)160 m 時，頂板的最大下沉量是2.4 m，且礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象明顯減少。在開采過程中，及時采取有效的防范措施，確保井下開采的安全性，維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著工作面的不斷掘進(jìn)，上覆巖層的主應(yīng)力呈周期性變化，巷道的頂板出現(xiàn)大范圍的破壞，在掘進(jìn)100 m 時，頂板最大位移0.4 m，在掘進(jìn)160 m 時，頂板最大下沉量3.2 m，頂板全部垮落。

（2）根據(jù)工作面掘進(jìn)距離布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化后，工作面掘進(jìn)100 m 時，監(jiān)測到頂板的最大位移量是0.31 m，工作面掘進(jìn)160 m 時，頂板的最大下沉量是2.4 m，且礦壓顯現(xiàn)的現(xiàn)象明顯減少，提高了井下開采的安全性，確保了巷道的穩(wěn)定性。