綜采工作面頂板來(lái)壓規(guī)律的模擬研究

秦佳斌

（五礦礦業(yè)（安徽）工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層呈某種規(guī)律性活動(dòng)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者經(jīng)常通過(guò)判定直接頂和老頂?shù)牟骄噙M(jìn)行分析。直接頂?shù)姆诸愔笜?biāo)依據(jù)為控頂?shù)碾y易程度、巖石單軸抗壓強(qiáng)度(σc)、節(jié)理裂隙間距（I）、分層厚度（h）。結(jié)合以上4種參數(shù)分析，可以得出一個(gè)較為綜合性的指標(biāo)用來(lái)判定直接頂?shù)男再|(zhì)，即強(qiáng)度指數(shù)（D）。同時(shí)，用分級(jí)公式的方法可以將老頂進(jìn)行級(jí)別分類[1]?；诖?，確定直接頂?shù)某醮慰迓洳骄?、老頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距以及周期來(lái)壓步距等參數(shù)，可以作為研究工作面頂板來(lái)壓規(guī)律的基礎(chǔ)[2-3]。本文使用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC進(jìn)行模擬，模擬了云駕嶺礦20103工作面推進(jìn)的全過(guò)程，覆蓋了直接頂發(fā)生初斷、老頂發(fā)生初斷及周期性斷裂。基于模擬后的數(shù)據(jù)分析處理，可以得到采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，是分析綜采工作面頂板來(lái)壓規(guī)律的有力依據(jù)。

1 工作面頂板礦壓顯現(xiàn)

隨著煤層的開采，頂板的暴露面積不斷擴(kuò)大，上覆巖層中的應(yīng)力逐漸集中，加之其自重影響，在一定距離時(shí)，直接頂發(fā)生斷裂并垮落。但在兩側(cè)煤壁的支撐下，老頂依然可以保持完整，其自重和上覆巖層產(chǎn)生的壓力會(huì)傳遞至兩側(cè)煤壁。當(dāng)工作面推進(jìn)至一定距離時(shí)，老頂發(fā)生第一次斷裂和垮落，此時(shí)頂板迅速下沉，老頂垮落一端的部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)的垮落矸石，另一端的應(yīng)力則通過(guò)懸臂梁結(jié)構(gòu)向煤壁更加集中。此時(shí)的工作面壓力急劇增大，老頂?shù)某醮慰迓錁?biāo)志著工作面頂板的初次來(lái)壓。

隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂?shù)膽冶鄄粩嘧冮L(zhǎng)，在上覆巖層及自重的影響下，老頂周期性地發(fā)生斷裂，之后再垮落，工作面再次處于懸臂梁的掩護(hù)下。沿工作面的推進(jìn)方向，老頂周期性地發(fā)生斷裂和垮落，應(yīng)力周期性地向采空區(qū)和煤壁轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象被稱為老頂?shù)闹芷诳迓浜椭芷趤?lái)壓。

2 計(jì)算模型的建立

在誤差允許的精度范圍內(nèi)，根據(jù)20103工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，在模型中合理地簡(jiǎn)化處理工作面。模擬界面的x軸和y軸分別表示工作面推進(jìn)的水平方向及煤層與上覆巖層的垂直方向。

為全面覆蓋所需參數(shù)，沿x軸方向的長(zhǎng)度約為300 m，沿y軸方向的長(zhǎng)度約為70 m。

20103工作面的煤層為緩傾斜煤層，傾角很小，因此將模型中的煤層近似水平放置。本次開挖的平均厚度約為5 m，煤層的平均埋深約為420 m。若開挖至模型邊界附近，則邊界效應(yīng)會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，設(shè)定開挖總長(zhǎng)100 m，開挖步距5 m。具體的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computation module

3 模擬結(jié)果與分析

工作面的推進(jìn)會(huì)使上覆巖層的懸露長(zhǎng)度不斷增大。巖層由于重力作用，發(fā)生一定的形變。當(dāng)頂板的懸露長(zhǎng)度到達(dá)其最大穩(wěn)定承受值后，兩端煤壁附近的集中應(yīng)力超過(guò)可承載極限，直接頂發(fā)生斷裂、冒落。如圖2所示，此時(shí)的上覆巖層發(fā)生如下變化：當(dāng)工作面推進(jìn)至15 m時(shí)，在直接頂暴露的中部發(fā)生斷裂現(xiàn)象，同時(shí)形成2個(gè)幾乎對(duì)稱的類似砌體梁結(jié)構(gòu)。隨著工作面的推進(jìn)，此結(jié)構(gòu)的下沉量依然會(huì)有一定增加，當(dāng)沉降值達(dá)到一定極限時(shí)，此結(jié)構(gòu)將無(wú)法維持穩(wěn)定，發(fā)生質(zhì)的變化，即自行冒落。冒落高度約為2 m，呈非對(duì)稱形態(tài)。

圖2 直接頂初次垮落Fig.2 First caving of the immediate roof

之后，沿著開挖的前進(jìn)方向，直接頂隨著開挖不斷發(fā)生冒落現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 豎直方向位移Fig.3 Vertical displacement

隨著直接頂?shù)牟粩嗝奥?，老頂在其自身重力及上覆巖層的作用下也會(huì)逐漸發(fā)生一定變化，這種變化主要是彎曲下沉。當(dāng)模型開挖至35 m時(shí)，老頂在開挖位置上方巖層的范圍內(nèi)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生了拉裂現(xiàn)象。不同于直接頂?shù)某醮慰迓?，老頂?shù)某醮慰迓洳⑽闯尸F(xiàn)明顯的對(duì)稱性，破斷的兩個(gè)主要部分呈現(xiàn)出一定的回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 老頂初次垮落Fig.4 First caving of the basic roof

當(dāng)開挖距離達(dá)到55 m時(shí)，老頂再次發(fā)生拉裂，并伴隨一定的回轉(zhuǎn)。之后每次拉裂后開挖達(dá)20 m，老頂都會(huì)發(fā)生新的拉裂回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，可以得出工作面推進(jìn)方向上應(yīng)力變化的特點(diǎn)。工作面前方的支承壓力范圍：當(dāng)開挖至15 m位置時(shí)，應(yīng)力集中在煤壁兩端附近顯現(xiàn)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中范圍如圖5所示。

圖5 開挖過(guò)程中應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution during excavation

在開挖剛開始的時(shí)候，應(yīng)力集中現(xiàn)象就會(huì)在開挖的兩端煤壁附近出現(xiàn)，整個(gè)煤層都會(huì)處于彈性狀態(tài)。直接頂產(chǎn)生初次來(lái)壓后，煤壁附近的應(yīng)力開始迅速下降。隨著開挖的不斷深入，當(dāng)開挖至35 m時(shí)，煤壁附近發(fā)生應(yīng)力突增。繼續(xù)開挖，煤壁附近的應(yīng)力呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。直到當(dāng)開挖至55 m范圍時(shí)，煤壁附近的應(yīng)力集中程度發(fā)生了較大的減弱，其原因在于老頂出現(xiàn)了初次來(lái)壓。與此同時(shí)，估算其外應(yīng)力場(chǎng)的跨度為47 m，估算其內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的跨度為10 m。這種應(yīng)力集中的變化規(guī)律會(huì)隨著開挖的不斷推進(jìn)周期性產(chǎn)生，具有極高相似性。

4 結(jié) 論

（1）隨著工作面的推移，直接頂隨采隨垮，老頂斷裂由深至淺，周期性垮落。直接頂?shù)拿奥湓谝欢ǔ潭壬鲜芾享數(shù)膩?lái)壓影響。模擬顯示模型在開挖過(guò)程中，直接頂?shù)某鯄翰骄嗉s為15 m，老頂?shù)某鯄翰骄嗉s為35 m，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距約為20 m。

（2）隨著開挖的不斷進(jìn)行，模型中數(shù)據(jù)在不斷變化。通過(guò)深入分析，煤壁附近將會(huì)產(chǎn)生35 m的應(yīng)力集中范圍；在煤壁的開挖方向上逐漸產(chǎn)生外應(yīng)力場(chǎng)及內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力集中沿工作面的推進(jìn)方向逐漸向煤壁轉(zhuǎn)移。