夏店煤矿综采工作面矿压显现规律模拟研究

李世慧

（潞安集团慈林山煤业有限公司 夏店煤矿，山西 长治046299）

1 工作面概况

潞安集团夏店煤矿3111综采工作面位于31采区，工作面东面与西面分别为3109工作面与3105工作面采空区，南面和北面分别为采区大巷保安煤柱何丛城保安煤柱。工作面开采山西组中下部3＃煤层，煤层稳定，含一层夹矸，平均厚度为5.93m，工作面直接顶为1～3m厚的泥岩，致密性强，含植物化石及煤屑，上部含砂岩；老顶为5～15m的浅灰色细砂岩，灰色中细粒含长石石英杂砂岩夹薄煤层砂质泥岩，具板状交错层理，底板为6.8～9.01m细砂岩。

2 数值模型的建立

本次数值模拟以夏店煤矿3111综采工作面为研究背景，该工作面走向长1170m，倾斜长225m，煤层平均倾角8°，平均厚度5.93m，埋深380m，模拟工作面推进过程中采场围岩应力场、位移场分布特征，并提取各单元的应力、应变值。

为了掌握关于坚硬顶板的控制方案，将模拟坚硬顶板综采工作面在开采过程中未进行切眼放顶和进行切眼放顶时，工作面在推进的过程中顶板塑性区的变化情况，建立了三维数值计算模型（见图1），模型走向长360m，倾向宽250 m，煤层倾角为8°，每个单元的长大致为3.6m，高为1.05 m，模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动。

整个数值模拟过程分为以下几个步骤：① 建立数值模型，给定边界力学与位移条件，并完成初始应力平衡；② 采用一次采全高进行开采，并运算平衡；③分析数值模拟结果。

图1 三维数值计算网格模型

3 数值模拟结果及分析

3.1 3111工作面切眼未放顶时初次来压分析

3＃煤层的顶板细砂岩为坚硬顶板，为了研究未经放顶时随工作面推进细砂岩的破坏情况，取工作面推进50m为参考，分别为20m、30m、40m、50m时进行模拟（见图2、图3）。

图2中a、b、c、d为细砂岩老顶在不同推进距离时顶板的塑性破坏情况。工作面推进20m时，由于煤层挖空，工作面上方的直接顶约1.2m范围内部分出现剪切破坏，上方的细砂岩基本没有什么变化；工作面推进到30m时，细砂岩下方的直接顶基本上都被破坏，而细砂岩层基本没有破坏；工作面推进到40m时，由于采空区的空间不断增大，顶板上方的岩层重量不断的增大，细砂岩层受到的应力增大，此时岩层的下层位在采空区中部附近约1.2m左右出现了拉伸剪切破坏，但未贯穿10m厚的砂岩层，顶板没有大面积的破坏；工作面推进到50m时，细砂岩的破坏在增大，下层的细砂岩在切眼和工作面的位置的2个顶角位置出现了约3m的破坏，顶板中央的破坏的区域也在增大，但破坏的整体范围也很小，顶板细砂岩不会整体垮落，说明未放顶时，细砂岩的初次来压步距大于50m。

图2 未放顶时煤岩层破坏状态

煤层顶板总的垮落高度，按最大破坏深度2.2m，但工作面的采高为5.93m，矸石无法完全填满采空区。工作面长度为175m，此时顶板的悬空面积达8750m2，顶板一旦突然产生大面积垮落，将会对工作面设备和支架形成很大的冲击，易造成支架的压死或形成工作面的飓风，带来生产事故。

图3 未放顶时煤岩层垂直应力

图3 中a、b、c、d为未放顶时工作面不同距离时工作面附近垂直应力分布情况，工作面分别推进到20m、30m、40 m、50m时，工作面煤壁侧的最大超前支撑压力分别为18 MPa、20MPa、22MPa、26MPa，由此看出在初次垮落前，超前支撑压力值将随工作面推进的距离增加而增加。过大的支撑压力会造成煤壁片帮，特别对两顺槽的超前支护带来很大困难，从减小支撑压力，保证煤壁及顺槽的稳定性角度也应对顶板进行处理。

从以上的垂直应力图中也可以看出，随工作面的推进，煤层上的支承压力处在动态变化之中。煤层开挖后，出现明显的支承压力集中区，而在采空区内底板上压力则明显降低。但随着工作面的推进，超前支承压力峰值逐渐增加，而采空区底板上的支承压力也有逐渐增大的趋势。

3.2 3111工作面切眼放顶时初次来压分析

由现场观测的切眼放顶后的矿压数据分析，切眼的放顶可以使顶板的初次来压步距减小，现根据3111工作面实际的情况建立模型，设计切眼为4m，切眼处放顶使切眼上方的细砂岩全部贯穿垮落，图4、图5分别为工作面推进20m、25m、30m的煤岩层的破坏状态。

图4 放顶时煤岩层破坏状态

图4 中a、b、c为经过切眼放顶后不同推进距离时工作面顶底板的塑性破坏情况。工作面推进20m时，由于煤层挖空，工作面上方的直接顶约1.2m范围内基本都出现剪切破坏，即随工作面的开采冒落，下层的细砂岩与工作面相交的顶角位置出现了约2.5m的剪切破坏；工作面推进到25m时，细砂岩与工作面相交的顶角位置出现了剪切破坏不断扩大达到了4.8m左右，破坏进一步增大；工作面推进到30m时，由于采空区的空间不断增大，顶板上方的岩层重量不断的增大，细砂岩层受到更大的应力，此时岩层与工作面相较处的区域破坏的高度进一步增大，达到了6.8m，基本上贯穿了整个细砂岩层，说明顶板的梁结构发生了破断，工作面初次来压，初次来压的步距大致为30m左右，在考虑到切眼的距离，步距在34m左右。

图5 放顶时煤岩层破坏状态

由图5中a、b、c煤岩层垂直应力图可知，经过放顶后工作面煤壁侧的超前支撑压力相较于不进行放顶时，相对减小，当工作面推进到30m时，煤壁侧的超前支撑压力为22MPa，此时，顶板细砂岩将会垮落，工作面进入周期来压，煤壁侧的支撑压力变化将会形成周期性的增加和减小，不会一直使煤壁侧的支撑压力增大。对比未放顶时，20m和30m的应力图可以发现，放顶后煤壁侧的支撑压力相对会比不放顶时大，由于放顶后顶板形成了悬臂梁结构，应力的增大使细砂岩垮落，及时充填采空区，避免工作面形成大面积的悬顶。

4 结语

1）通过对3111工作面实际条件的现场模拟，当切眼未放顶，工作面推进到50m时，岩层整体的破坏范围也很小，顶板不会整体垮落。

2）切眼进行放顶，工作面推进到30m时，细砂岩与工作面相交处的区域破坏的基本上贯穿了整个细砂岩层，工作面初次来压的步距大致为30m左右。

3）通过对3111综放工作面的矿压显现规律进行数值模拟研究，为工作面回采期间加强顶板管理提供依据，对工作面的安全回采具有一定的意义。