浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究

李艳君，杨维帅，许力峰，郭文砚，李家伦，刘 建

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

浅埋深薄基岩工作面矿压显现规律研究

李艳君，杨维帅，许力峰，郭文砚，李家伦，刘 建

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

为了研究浅埋深薄基岩煤层工作面上覆岩层的运动规律及工作面矿压显现规律，运用UDEC数值模拟软件对神华李家壕煤矿的上覆岩层的运移规律进行了模拟分析，并进行了现场实测。结果表明，模拟所得的初次来压步距为40m，实测值为36.4m;模拟周期来压步距为20m，与现场实测的周期来压平均为20.5m步距基本一致;关键层来压时表现为动载现象明显，整个上覆岩层全厚度切落，地表出现急剧下沉，工作面覆岩将不存在“三带”，基本上为垮落带和裂隙带“两带”。

浅埋煤层;矿压显现;覆岩移动规律;数值模拟

我国西部蕴藏大量埋深在150m以内的煤层，其典型赋存特点是埋深浅、顶板基岩较薄。由于浅埋煤层具有基本顶断裂直达地表出现上覆岩层全厚度切落，来压强度大，持续时间短，对支架造成一定的冲击载荷等特征［1－2］，所以在进行长壁回采过程中工作面呈现出全新的矿压显现特征及顶板活动特点，对浅埋深薄基岩煤层工作面矿压显现规律进行系统深入的研究非常必要，且具有重要的意义。上世纪90年代初，我国学者开始了浅埋煤层矿压显现与岩层控制方面的探索，了解了浅埋煤层长壁工作面矿压显现的规律与顶板破断基本特征，但目前研究尚处于初期阶段［3－7］。为了能更加直观地反映整个上覆岩层的移动规律，本文通过采用UDEC二维离散元数值模拟分析的方法来模拟神华李家壕煤矿2号煤层开挖后覆岩移动破断特征，并结合现场观测加以分析研究，为该矿及同类条件煤层工作面研究顶板运动变化规律提供了一种依据。

1 数值模型的建立

1.1 矿井概况

李家壕煤矿井田位于东胜煤田的中南部，其构造形态与区域含煤地层构造形态一致，地层倾角小于5°，2号主采煤层可采厚度0.80～4.75m，平均2m。顶板岩性主要为粉砂岩和细粒砂岩，底板岩性主要为砂质泥岩及粉砂岩。直接顶为粉砂岩，平均厚度为5.10m;基本顶为中粒砂岩，近水平层理，层面含少量植物化石碎片，中等致密，力学强度不高，结构松散，极易风化破碎。直接底为细粒砂岩，成分以石英长石为主，含白云母，分选性中等，次菱角状，泥质胶结，波状层理。

1.2 几何模型设计

根据煤层赋存条件，2号煤层工作面采用走向长壁采煤法。由于采煤工作面是一个三维空间，而UDEC是二维平面软件［8－9］，因此模拟对工作面的情况简化，采用沿工作面的走向剖面进行数值模拟方法，研究回采期间上覆岩层的矿压显现规律。本次数值模拟建立的模型尺寸为长260m，高100m，岩层角度为水平，底面以及左右两面均为固定边界条件，然后进行单元格的划分并赋岩层物理力学参数，模型及块体划分如图1所示。根据煤岩层综合柱状图，工作面由地表到煤层底板岩层主要力学参数见表1。

图1 模型网格划分

表1 煤岩层块体物理力学参数

2 模拟结果分析

2.1 上覆岩层破坏规律分析

对所建立的模型进行数值计算，工作面采空区采用全部垮落法控制顶板，为了消除边界影响，工作面的开切眼选取在距左边界60m处，每次开挖10m，共开挖100m，从而实现煤层的充分采动。工作面推进过程中上覆岩层移动变化如图2。

图2(a)是模拟工作面推进20m时上覆岩层的垮落过程和移动状态，从图中可以看出，随着工作面的推进直接顶悬露的长度会逐渐地增加，粉砂岩顶板垮落后充填采空区，垮落的岩块与基本顶之间存在较大的空间，此时薄基岩并没有垮落，只是其下位的直接顶垮落了。

图2(b)是工作面推进40m时上覆岩层移动变化情况，此时直接顶在上覆载荷的作用下从中间断裂，出现台阶式下沉，导致工作面初次来压。

图2(c)是工作面推进60m时上覆岩层的移动变化情况，此时梁结构变为悬臂式承担上覆岩层的载荷，悬臂梁在工作面前方产生的拉应力裂隙逐渐贯通薄基岩，由于煤层埋深较浅，薄基岩没有形成深部煤层应有的铰接结构，所以在上覆动压载荷的作用下导致薄基岩全厚度切落，从而形成工作面的周期来压。

图2 工作面推进工程中上覆岩层移动变化

图2(d)是工作面推进100m时上覆岩层的移动变化情况，从图中可以看出，由于煤层埋藏较浅及基岩厚度较薄的影响，基本顶不能形成稳定的“砌体梁”结构，顶板基岩呈整体运动沿煤壁全厚度切落。以后每次周期来压都是工作面前方出现裂隙形成到地表的整体岩柱—岩柱发生整体切落—后方压实的运动。从图中可以看出，在工作面推进过程中，基本上为垮落带和裂隙带“两带”，不存在弯曲下沉带。

2.2 上覆岩层垂直应力分布规律

模拟过程中在煤层及薄基岩内布置了2条测线，并每隔5m设置1个测点，对工作面推进过程中煤层及覆岩垂直应力变化进行监测记录，并整理绘制出垂直应力分布曲线，如图3。由图可知:

(1)当工作面推进40m时，基本顶发生初次来压，关键层及上覆松散载荷层完全垮落，此时基岩未发生整体切落，故来压后从图中看到工作面前方出现了应力集中。

(2)当工作面推进60m时，此时基岩发生初次整体切落，工作面前方未出现应力集中。从图中可以看出，工作面前方的应力影响区域并不大，这与关键层出现滑动失稳破坏有关。

(3)从整个推进100m的垂直应力来看，随着工作面的推进上覆岩层每隔20m都会出现周期式切落。

2.3 关键层滑落失稳下沉移动规律

图3 工作面推进过程中围岩垂直应力分布

随着工作面的推进，记录了关键层内观测线垂直方向上的位移变化情况。分析初次来压与周期来压时关键层在垂直方向的位移变化情况，总结当关键层发生滑动失稳时其破坏方式。

工作面推进过程中关键层在竖直方向上的位移变化曲线如图4所示，当关键层第1次发生破断时，其从中间断裂，最大下沉位移量达到1.6m，当工作面推进60m时，从下沉曲线上看到关键层先是因为基岩的回转产生一小段位移，当回转到一定程度时整个关键层断裂，形成台阶下沉曲线，说明在浅埋深煤层工作面薄基岩条件下，关键层的破坏呈台阶式断裂，断裂宽度与周期来压步距有关。

图4 关键层竖直方向位移变化曲线

3 模拟结果与现场观测对比

3.1 矿压观测分析

从工作面开始采煤，在李家壕矿进行了为期60d的矿压观测，观测点布置如图5所示。在工作面布置了3个观测站，每个观测站选取3个具有代表性的支架，对所观测的数据，如基本顶的初次来压、周期来压，以及支架工作阻力和动压系数进行整理分析。具体观测结果如表2所示。

图5 测点布置

表2 李家壕煤矿11208工作面来压观测结果

根据矿压观测数据分析可知:

(1)工作面初次来压步距为37m，主要特征是顶板沿煤壁切落，形成台阶下沉，来压猛烈，顶板下沉量350～1400mm。

(2)周期来压步距为15.5～24m，平均为20.5m，来压历时较短;来压时由于覆岩重力直接作用于支架，支架动载明显，动压系数最大达到2.2。

3.2 模拟结果与现场观测对比分析

(1)数值模拟结果显示工作面初次来压步距为40m，随着工作面推进60m后上覆岩层呈现周期性切落，形成周期来压，来压步距为20m。通过监测上覆岩层垂直应力分布情况，得出由于基岩的周期性切落，工作面前方不会再出现应力集中，呈现出薄基岩条件下浅埋煤层工作面独特特点。

(2)在工作面推进过程中监测了关键层在竖直方向上的位移变化，最大位移量达到1.6m，浅埋深煤层工作面薄基岩条件下，关键层的破坏呈台阶式断裂，断裂宽度与周期来压步距有关。

(3)模拟结果与现场实测的工作面初次来压步距 37m，周期来压步距 15.5～24m，平均为20.5m;工作面矿压显现的最大特点是来压猛烈，历时较短，支架动载明显，动压系数最大达到2.2。

4 结束语

根据数值模拟和地表岩移观测，浅埋煤层基岩顶板破断失稳导致整个上覆岩层全厚度切落，表现出单一关键层结构特征，工作面将不存在“三带”，基本上为垮落带和裂隙带“两带”。此结论为该矿及类似条件浅埋深薄基岩矿井工作面安全高效开采提供了依据。

［1］黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义 ［J］.岩石力学与工程学报.2002，21(8):1174－1177.

［2］侯忠杰，黄庆享.松散层下浅埋薄基岩煤层开采的模拟 ［J］.陕西煤炭技术.1994(2):38－41.

［3］吕 军，侯忠杰.影响浅埋煤层矿压显现的因素［J］.矿山压力与顶板管理.2000(2):39－40.

［4］李新元，陈培华.浅埋深极松软顶板采场矿压显现规律研究［J］.岩石力学与工程学报.2004.23(19):3305－3309.

［5］侯忠杰.浅埋煤层关键层研究 ［J］.煤炭学报.1999.24(4):359－363.

［6］张文军，沈海鸿，蔡桂宝.浅埋煤层开采覆岩移动规律数值分析［J］.辽宁工程技术大学学报.2002，21(2).

［7］徐 涛，唐春安，杨天鸿，等.采场覆岩关键层破断规律的数值模拟 ［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(S)．

［8］ Chen S G.UDEC Modeling of rock tunnel excavation and supports［A］.Frontiers of Rock Mechanics and Sustainable Development in the 21st Century－Proceedings of the 2001 ISRM International Symposium－2nd Asian Rock Mechanics Symposium(ISRM 2001－2nd ARMS)［C］.2001.

Underground Pressure Behavior Rule of Shallow-buried Mining Face under Thin Base Rock

LI Yan-jun，YANG Wei-shuai，XU Li-feng，GUO Wen-yan，LI Jia-lun，LIU Jian
(Resources＆ Safety Engineering School，China University of Mining＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Applying UDEC to simulating movement rule of overlying strata in Lijiahao Colliery and combining on-site observation，this paper researched underground pressure behavior rule of shallow-buried mining face under thin base rock.First weighting pace by simulation was 40m，observation value was 36.4m.Periodical weighting pace by simulation was 20m and observation value was 20.5m.Dynamic load was obvious at time of key strata weighting，whole overlying strata fell down and surface sharp subsidence occurred.There was only caving-zone and crack-zone in overlying strata.

shallow-buried coalseam;underground pressure behavior;movement rule of overlying strata;numerical simulation

TD325.1

A

1006-6225(2012)03-0086-03

2012－03－09

国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目:浅埋深薄基岩采动岩体破断及渗流基础 (51134018);中央高校基本科研业务费资助项目 (2011Y205)

李艳君 (1987－)，男，黑龙江鹤岗人，在读硕士研究生，主要从事矿压及放顶煤方面的研究。

［责任编辑潘俊峰］

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