松软煤层大采高工作面顶板破断规律研究

胡万胜

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原030024；2.潞安集团余吾煤业公司，山西 长治046100）

大采高长壁开采是厚煤层开采的主要方法，在我国大同、邢台、神东、晋城等矿区得到了广泛的应用〔1〕，随着工作面采高的增加，煤壁片帮、支架失稳等问题逐渐增加，对于松软煤层大采高工作面表现尤为显著〔2－5〕，研究发现，这些问题与工作面顶板结构与运移破断规律密切相关〔5〕。因此，有必要掌握松软煤层大采高工作面顶板破断规律用于指导工作面开采。

1 工作面概况

图1 3305工作面综合柱状

3305工作面位于矿井二采区东部，所采煤层为山西组3＃煤层，煤层质软易碎；煤层厚度为3.2～5.4m，平均厚度为4.5m；煤层倾角为1°～7°，平均为6.5°；煤层以光亮煤为主，局部可见半暗煤，整体呈现线理状和层状结构，中间夹有0～0.7m的炭质泥岩；该煤层可采系数为1，变异系数为1.3，煤体容重为1.43t／m3，整体属于稳定可采松软厚煤层。3305设计走向长度和倾向长度分别为1976m和220m，沿倾向共布置 ZY12000－3.5／6.8液压支架129台。工作面煤层向上依次为炭质泥岩～砂质泥岩～煤层～炭质泥岩～粉砂岩等，底板以砂质泥岩为主，其中泥岩层较破碎，砂岩层节理裂隙发育（见图1）。

2 数值模拟研究

2.1 模型的构建

模拟采用FLAC－3D进行，计算程序以拉格朗日算法为基础。采用弹塑性材料建立摩尔～库伦弹塑性本构模型，以摩尔～库伦屈服准则来判断岩体破坏。

考虑边界效应，设计模型的倾向长度（y）、走向长度（x）和垂直高度（z）分别为417m、340m和112m，其中煤层依照工作面平均煤厚4.5m计算。构建的模型上方施加的垂直压应力值为模型上方岩层重量，该值由模型上覆岩层均厚经计算确定为10.6MPa，模型左右侧和底边分别施以水平约束和垂直约束，3305工作面围岩物理参数详见表1。

表1 模型顶板各岩层物理力学参数

2.2 模拟结果及分析

图2 随工作面推进采空区上覆岩层破坏情况

3305工作面上覆岩层状态变化模拟结果见图2，由模 拟结果可知：随着工作面的推进，顶板裂隙明显增加，当推至距开切眼15～16m时直接顶由下到上冒落，冒落高度为8～9m，顶板裂隙约为17.4m；当工作面进一步推进，距离开切眼24～25m时，基本顶发生冒落，冒落高度为23～25m，顶板裂隙高度达到37.4m；随着工作面的推进，基本顶分别在距开切眼33～34m、42～44m、52～53m、63～65m和75～76m范围内出现周期性的冒落现象，周期冒

3 现场实测

在3305工作面的机头、尾、上、中、下部布置观测站，每个观测站布置2条侧线，侧线分别对应5＃、6＃、31＃、32＃、60＃、61＃、90＃、91＃、124＃、125＃液压支架，在测线对应的液压支架上各安装1台尤洛卡，尤洛卡可以对液压支架载荷进行实施记录，所记录数据可通过数据采集器进行落高度最大可达23.5m，顶板裂隙带高度最大可达56m，随着工作面继续推进，顶板裂隙高度保持为56m左右。综上分析可知：工作面初次来压步距为24～25m，周期来压步距为9～12m，平均周期来压步距为11m左右；工作面冒落带高度为23.5m，裂隙带高度为56m，裂隙带向上为弯曲下沉带。采集。将尤洛卡数据导入计算机进行统计分析（见表2）。由表2可知，3305工作面初次来压步距为24.86m，前五次周期来压步距为10.72m、9.56m、11.74m、10.62m和11.66m，平均周期来压步距为10.86m。分析工作面各部分来压步距可知，机头部来压步距较大，机尾部较小，整个工作面呈现来压不均匀现象。

表2 3305工作面顶板来压特征分析

4 结语

综上可知，数值模拟与现场实测所得结果一致性较好，所得3305松软煤层大采高工作面顶板破断规律为：工作面顶板初次垮落步距为25m左右，平均周期来压为11 m左右；在工作面推进过程中，采空区上覆岩层裂隙由下而上逐渐发育，垮落带高度约为23m，导水裂隙带高度约为55m，再往上为弯曲下沉带；整个工作面呈现来压不均匀现象，机头部来压步距较大，机尾部较小，考虑到松软煤层物理围岩特性和工作面地质构造的复杂性，在使用数值模拟进行研究顶板破断规律时应辅助现场实测。

〔1〕李洪彪 .赵庄矿松软煤层大采高工作面矿压规律及围岩控制研究〔D〕.太原：太原理工大学，2012.

〔2〕何鹏飞，弓培林 .大采高采场覆岩整体结构及控制研究〔J〕.山西煤炭，2011，31（1）：36－38.

〔3〕孔德森，孟庆辉，张伟伟，等 .综采工作面上覆岩层运动与破坏规律研究〔J〕.煤，2008，17（6）：5－8.

〔4〕宋振骐 .实用矿山压力与控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，1988.

〔5〕尚 斌，关东旭，李晓辉，等 .三软煤层矿山压力控制方法浅谈〔J〕.中州煤炭，2010，（10）：45.