超前工作面區(qū)域復(fù)合頂板應(yīng)力分布規(guī)律研究

裴春敏

（山煤國際能源集團(tuán)股份有限公司煤業(yè)分公司，山西 太原 030006）

0 引言

工作面長度是衡量工作面生產(chǎn)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在具體的地質(zhì)條件下，若工作面長度越大，其生產(chǎn)能力及效率就會越高。然而因工作面地質(zhì)賦存以及機(jī)電設(shè)備配套情況所限，在工作面長度增大后，超前工作面區(qū)域頂板礦壓顯現(xiàn)也會更為顯著，易引起滾幫、片幫等情況，影響到工作面的安全生產(chǎn)。鹿臺山煤業(yè)已回采的2202工作面長度為160 m，為有效提高工作面生產(chǎn)能力及效率，決定將其相鄰2203工作面長度在2202工作面長度的基礎(chǔ)上有所增加。因此，本文對超前工作面區(qū)域復(fù)合頂板應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，并通過理論計(jì)算得出2203工作面所能布置的最大工作面長度，為后續(xù)確定工作面合理長度提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

鹿臺山煤業(yè)位于山西省晉城市沁水縣張村鄉(xiāng)一帶，批采2號、15號煤層，東西寬1.5～2.0 km，南北長2.6 km，面積4.7 km2，產(chǎn)能0.6 Mt/a。礦井采用斜井開拓方式，共布置有3個(gè)井筒，屬高瓦斯礦井，地質(zhì)構(gòu)造屬復(fù)雜型，水文地質(zhì)屬中等型。

目前礦井正在回采2202綜采工作面，2203綜采工作面正在進(jìn)行巷道布置及掘進(jìn)，是2202工作面的接替工作面。2203綜采工作面位置如圖1所示。

圖1 2203綜采工作面位置示意圖

2203綜采工作面所開采2號煤層厚度范圍為1.35～3.20 m，平均2.20 m；傾角為3°～12°，平均5°。運(yùn)輸順槽斷面為8.64 m2，回風(fēng)順槽斷面為8.16 m2。采用綜合機(jī)械化開采工藝，全部垮落法管理頂板，傾向長度1 252 m。工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 2203工作面頂?shù)装迩闆r

2 工作面頂板板狀受力分析

根據(jù)2203工作面頂?shù)装寮绊敯逡陨蠋r層情況可知，2號煤層直接頂?shù)装鍨閳?jiān)硬巖層與軟弱巖層互層，軟弱結(jié)構(gòu)層面發(fā)育，并且頂板以上巖層有弱富水性含水層，對邊坡穩(wěn)定性具有一定的影響，整體頂板易于管理，底板泥巖容易遇水膨脹，因此在現(xiàn)場掘進(jìn)和生產(chǎn)過程中要強(qiáng)化頂?shù)装逯ёo(hù)和管理。

2.1 2203工作面頂板分層載荷

基于2203軌道順槽頂板地質(zhì)條件，確定頂板各分層所受載荷情況。在工作面回采前，其超前區(qū)域巷道頂板將會由兩側(cè)實(shí)體煤所支承，此時(shí)其頂板可處于完整的符合層狀結(jié)構(gòu)，因此可將該巷道頂板作為四邊固支的薄板結(jié)構(gòu)作為研究對象。設(shè)各薄板所受載荷為，坐標(biāo)系為將各分層底部左前端作為遠(yuǎn)點(diǎn)，x軸、y軸分別為與巷寬、巷長相平行的方向，z軸為與頂板相垂直的方向。所建立的2203工作面力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 2203工作面力學(xué)模型示意圖

根據(jù)礦山壓力原理得出2203軌道順槽復(fù)合頂板第n層對第i層的載荷作用的表達(dá)式為：

式中：i和n為第幾分層，1、2、3……；γi為各分層的體積力，MN/m3；Ei為各分層的彈性模量，G P a；hi為各分層的頂板厚度，m。

根據(jù)薄板理論的相關(guān)應(yīng)力方程推導(dǎo)，可以得出各分層薄板的相關(guān)應(yīng)力方程的表達(dá)式為：

式中：qi為上覆巖層載荷大小，MPa，μ為板的泊松比；h為薄板厚度，m。

通過建立上述超前工作面區(qū)域復(fù)合頂板的力學(xué)薄板模型，依據(jù)礦壓與頂板控制理論，對復(fù)合頂板的彎曲變形和受力情況進(jìn)行綜合分析，可以得出：各個(gè)薄板內(nèi)撓度以及應(yīng)力分布規(guī)律都是相同的。在復(fù)合頂板當(dāng)中，上覆巖層對頂板的載荷作用是其發(fā)生彎曲下沉的主要原因，并且越靠近各層巖層的中心位置，其撓曲數(shù)值越大。此外，頂板越往上的巖層其相應(yīng)的最大應(yīng)力會逐漸減小。綜上分析，復(fù)合頂板的主要破壞形式為拉伸破壞。

2.2 2203超前工作面頂板應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)以上的力學(xué)分析過程，通過Anaconda力學(xué)分析軟件對工作面頂板上覆巖層逐層進(jìn)行分析研究超前工作面區(qū)域復(fù)合頂板的受力特征。

1）各分層撓曲及應(yīng)力分布特征。取z=h/2，各分層撓曲及應(yīng)力分布特征如圖3所示。

圖3 各分層撓曲及應(yīng)力分布特征

對圖3進(jìn)行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，頂板5個(gè)分層撓曲分布均出現(xiàn)中心對稱的現(xiàn)象，其撓曲從四邊到中心逐漸增大，并且各層撓曲最大值均位于薄板的中心位置處，巷道頂板由下往上（即由第1層至第5層）的其撓曲逐漸減小，其中第1、5層的撓曲分別為50、2.5 mm，因此其頂板最先由具有自由面的第1層巖層出現(xiàn)變形且相較于向上的其他巖層的變形更大，第5層巖層變形基本很小，可以保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2）各分層水平應(yīng)力σx分布特征。各分層水平應(yīng)力σx分布特征如圖4所示。

對圖4進(jìn)行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，x軸方向上5個(gè)分層水平應(yīng)力分布均出現(xiàn)中心對稱的現(xiàn)象，并且水平應(yīng)力在巷道長度方向上出現(xiàn)首先增大而后減小的變化情況，頂板兩側(cè)中心處具有最大水平應(yīng)力。在各層巖層當(dāng)中，離越中心越近其水平應(yīng)力也越小，直至到第5層巖層處最大水平應(yīng)力減小到2.0 MPa左右。第1層薄板所受最大水平應(yīng)力大于2.0 MPa處要出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，依次層層遞進(jìn)，直到所受的最大水平應(yīng)力小于2.0 MPa時(shí)，巖層可以處于穩(wěn)定。

圖4 各分層水平應(yīng)力σx分布特征圖

3）各分層水平應(yīng)力σy分布特征。各分層水平應(yīng)力σy分布特征如圖5所示。

圖5 各分層水平應(yīng)力σy分布特征圖

對圖5進(jìn)行分析可以得出：頂板各層巖層在載荷影響下，y軸方向上5個(gè)分層水平應(yīng)力的分布規(guī)律與x軸上的分布規(guī)律基本相同，結(jié)合x軸和y軸上的分層水平應(yīng)力分布規(guī)律，可以得出復(fù)合頂板巖層主要是因拉伸破壞而發(fā)生變形垮落的。

3 工作面最大長度

通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，與2203工作面相鄰的2202工作面在初采期間有如下礦壓顯現(xiàn)情況：工作面推采進(jìn)度為7 m時(shí)，工作面中部支架頂板出現(xiàn)冒落矸石較多等顯著來壓狀況；工作面推采進(jìn)度為10 m時(shí)，頂板開始全部垮落；工作面推采進(jìn)度為22 m時(shí)，直接頂全部垮落，最大強(qiáng)度42.35 MPa；工作面推采進(jìn)度為48 m時(shí)，頂板全部垮落，最大強(qiáng)度40.45 MPa。2202工作面在頂板煤業(yè)來壓時(shí)的強(qiáng)度為29.7～31.4 MPa，約為30 MPa，而老頂來壓時(shí)的最大強(qiáng)度為42.35 MPa，即動壓系數(shù)約為1.41。

按照普氏理論及工作面支架工作阻力，2203工作面最大長度可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：f為頂板巖石普氏系數(shù)，根據(jù)臨近的2202工作面頂板巖石力學(xué)參數(shù)，平均值取3.69；Pd為靜壓，根據(jù)工作面礦壓監(jiān)測動壓系數(shù)1.41，其對應(yīng)的最大靜壓為3 404.3 kN；g為重力加速度，取10 m/s2；γ1為頂板巖石密度，取2.5×104 kg/m3；Lz為支架頂梁長度，取3.8 m；bz為支架頂梁寬度，取1.43 m。將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式3中進(jìn)行計(jì)算可以得出：根據(jù)工作面頂板實(shí)際地質(zhì)情況，2203工作面最大長度約為185m，與原先2202工作面長度160m相比較，可以增長25m。

4 結(jié)語

通過對鹿臺山煤業(yè)2號煤層超前工作面區(qū)域復(fù)合頂板應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，并根據(jù)相鄰的2202工作面初采期間的礦壓監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合工作面頂板實(shí)際地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算得出了2203工作面所能布置的最大工作面長度，主要結(jié)論如下：

1）通過對2203工作面頂板上覆巖層進(jìn)行受力分析及數(shù)值計(jì)算可知，第1分層至第5分層的主要破壞形式為拉伸破壞。

2）根據(jù)相鄰的2202工作面初采期間的礦壓監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合工作面頂板實(shí)際地質(zhì)條件，按照普氏理論及工作面支架工作阻力進(jìn)行計(jì)算，2203工作面最大長度約為185 m，與原先2202工作面長度160 m相比較，可以增長25 m。

3）以上研究結(jié)論對于工作面長度確定具有一定的借鑒意義，但仍需要針對該工作面進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)電設(shè)備、支護(hù)能力配套驗(yàn)算與分析。