店坪煤矿薄基岩顶板破坏规律研究

郭 晖，王 鹏

（1.山西焦煤集团霍州煤电有限责任公司 店坪煤矿，山西 方山 033102；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 03002）

店坪煤矿薄基岩顶板破坏规律研究

郭 晖1，王 鹏2

（1.山西焦煤集团霍州煤电有限责任公司 店坪煤矿，山西 方山 033102；2.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 03002）

针对店坪煤矿煤层上覆基岩超薄、且自稳性能差、承载能力弱、工作面顶板管理难等特点，以5302首采工作面实测矿压资料为依据，并利用FLAC3D数值模拟软件，对工作面推进中不同层位的顶板进行了模拟；最终分析了工作面回采过程中上覆岩层移动、破坏演化的机理，为工作面的安全高效生产提供了依据。

薄基岩；覆岩破坏；数值模拟；来压步距

煤炭开采会使顶板岩层在自重及上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩层自身的抗拉强度极限时，直接顶会发生断裂、破碎、冒落；老顶岩层以梁弯曲的形式，沿层理面法线方向移动、弯曲，进而离层、断裂。顶板基岩薄，在我国榆神、神东煤田普遍可见，近年来对工作面顶板结构及活动规律有了不少研究；而在晋西北顶板基岩薄、断裂时有其独特性，因此研究薄基岩的矿压显现及上覆岩层破坏活动规律，对店坪煤矿顶板管理具有重要意义。

1 工作面的概况

店坪煤矿位于山西吕梁，现主采5号煤层，5302回采工作面位于5号煤三采区左翼，采用单一倾向长壁后退式综采工艺、全部跨落法管理采空区顶板。工作面选用MG400/930-WD型双滚筒无链电牵引采煤机落煤，循环进度0.8m，双螺旋叶片与滚筒装煤；工作面选用SGZ880/800型刮板输送机，顺槽选用一部SZZ-1000/375型转载机、一部SSJ1000/2×160型胶带输送机运煤。该面东至井田东部风氧化带，西与900水平南翼皮带巷相通，南与5304工作面（未掘进）相邻，北至工业广场煤柱，是三采区第一个回采面。

5302回采工作面5号煤层较稳定厚度，为2.1 m～2.7m，均厚2.4m，偶含两层夹矸，该面采高2.4 m，煤层倾角0～7°；直接顶为黑色砂质泥岩，自上而下砂量逐渐减少，底部近似泥岩，水平层理明显，层面光滑，厚度为1.6m～2.9m，均厚2.6m；老顶为深灰色中砂岩，上为4号下煤，厚度为1.6m～2.8m，均厚2.2m。直接底为砂质泥岩及细砂岩，上为砂质泥岩，往下沙粒逐渐增多，含大量的根部化石块状，厚度为2.5m～4.3m，均厚3.4m；老底为细砂岩，含大量的暗色矿物，厚度为1.4m～2.2m，均厚1.8m。

2 采空区上覆不同层位的顶板数值模拟

2.1 数值模拟模型建立

为了分析5302工作面回采时上覆不同层位的岩层跨落规律，建立了模拟计算的FLAC3D三维模型。模型走向长度300m、倾向长度200m，模型高度12.4m，工作面长度200m。为了避免计算时模型边界的影响，模型方向两边各留50m的煤柱，模型方向两边各留50m的煤柱；模型由82500个单元组成，边界条件采用位移约束，模型左右边界方向速度为0，前后边界方向速度为0，底边界固定约束，上边界为自由边界，施加上覆岩层的自重载荷5 MPa。图1为采场工作面水平剖面图，表1为煤岩层力学参数。

2.2 数值模拟结果分析

从图2和图3看出，随着工作面的推进，采空区空间不断增大，上覆不同层位的顶板会出现应力集中区和应力卸载区。采空区上覆岩层中，靠近工作面前方的顶板中出现明显的应力集中，而在采空区对应的正上方岩层中出现应力降低；且随着工作面的向前推进，这种增大和降低的趋势愈加明显；不仅垂直应力，而且水平应力也出现应力集中区域和应力降低区域。

图1 模型水平剖面图

表1 煤岩体力学参数

图2 工作面推进18m时的采场围岩支承压力分布

图3 工作面推进24m时的采场围岩支承压力分布

当工作面推进10m时，只有直接顶偏下部位出现拉应力区域，且最大拉应力达到3.52MPa，超过了直接顶本身的抗拉极限强度3.2MPa，此时会在直接顶中部的最下层位出现弯拉裂隙，但由于只是在直接顶最下部破坏，因此不会造成直接顶的整体破坏；对老顶而言，由于煤层的开挖，在垂直层面上会产出弯曲下沉，垂直应力降低到2.9MPa；而在水平层面上产生挤压，水平应力增大到5.66MPa。当工作面推进到14m时，直接顶上部拉应力达到3.36 MPa，此时也超过了直接顶本身的抗拉极限强度3.2 MPa，最终导致整个层位的直接顶产生拉破坏，而在深入煤壁附近的直接顶两端会产生剪切破坏，最终造成直接顶垮落，跨落步距10m～14m，老顶垂直应力继续减小，达到了2.49MPa，水平应力继续增加到6.72MPa。当工作面推进24m时，煤壁附近的顶板拉应力此时达到3.42MPa，超过了其抗拉强度，因此顶板会在煤壁附近发生拉伸破坏，即上覆顶板发生周期跨落，来压步距约8m～10m。

3 工作面矿压显现特征

为了分析5302工作面矿压显现规律，该矿首采工作面布置了7个测点，即20号、40号、60号、80号、100号、120号、140号，见图 4。

图4 液压支架阻力测定仪布置示意图

观测时间从2011年5月2日到2011年5月8日结束。以实测支架循环末阻力峰值为顶板的来压步距，来压步距参数，如表2所示。

表2 5302综采面基本顶来压步距

根据支架支护阻力图确定5302综采工作面基本顶初次来压约14.0m，周期来压步距为10.8m，且历次来压时和来压前支护阻力的比值（即动压系数）都大于1，顶板来压强度平均阻力动压系数为1.025。

4 结论

(1)由于顶板基岩薄，因此工作面推进距离不是很大时，顶板就会发生跨落，而且由于岩性的不同，当直接顶破断后，老顶会产生弯曲下沉，在垂直层面上出现卸压的趋势，在水平层面上相对挤压，呈现应力集中趋势。(2)从数值模拟结果来看，上覆顶板初次跨落的步距在10m～14m，周期来压步距约8m～10m；而实际观测顶板初次来压步距13.8m，周期来压步距为10.8m，而且矿压显现不是很明显，实测结果基本与模拟结果相吻合，这说明模拟结果可作为实际来压步距的参考。

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Study on Thin Bedrock Roof Failure in Dianping M ine

GUO Hui1,WANG Peng2
(1.Dianping Mine,Huozhou Coal Electricity Co.,Shanxi Coking Coal Group,Fangshan Shanxi033102；2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

In view of super-thin overlying bedrock,poor self-stability,weak carrying capacity,difficult roofmanagement of working faces in Dianpingmine,the study bases on pressuremeasured on 5302 first mining face and then uses FLAC3D to simulate roofs on different levels during the driving.At last,the overlying bedrockmovementand damage evolutionmechanism are analyzed to provide the evidence for safe and efficient production.

thin bedrock;overburden failure;numerical simulation;pressure step

TD325+.1

A

1672-5050（2011）09-0024-03

2011-04-12

郭 晖（1986—），男，山西吕梁人，大专，从事煤炭技术管理工作。

刘新光