综放工作面顶板运移及垮落数值模拟研究

柳 轶(山西焦煤集团 投资公司，山西 太原 030021)

矿山压力控制是厚煤层综放开采安全高效开采的重要前提。上覆岩层结构运动变化是影响采场矿压显现的主要原因[1]. 目前，针对顶板覆岩结构变化规律，国外主要有悬臂梁假说、压力拱假说、铰接岩块假说，国内则有传递岩梁理论、砌体梁理论、关键层理论以及薄板理论等，这些理论对上覆岩层结构变化特征以及采场矿压规律进行了充分的研究，对掌握回采过程中工作面顶板覆岩结构变化特征和矿压显现规律具有重要的意义[2-3].

赵庄矿二号井1304工作面采用综放开采技术，其相邻的1305工作面采用综采技术。对于普通综采和大采高综放开采，顶板岩层变化运动特征不同，矿压显现特征也不相同。所以，正确掌握不同类型工作面矿压显现规律，对保障安全生产具有重要的意义。

1 工程概况

1304工作面煤层平均厚度为5.36 m，平均倾角约为6°，采用走向长壁采煤法，开采煤层为3#煤层，其中机采采高2.8 m，放顶煤厚度为2.56 m. 工作面长度145.8 m，自开切眼到停采线长度为538.6 m.

2 顶底板情况

1304工作面无伪顶，直接顶为泥岩和细粒砂岩，平均厚度1.8 m，节理裂隙不发育，普氏硬度f=3～4，自然状态下单向抗压强度为46.2～65.4 MPa；基本顶主要为粉砂岩，平均厚度1.6 m. 工作面的直接底主要为泥岩，平均厚度0.6 m. 基本底主要为粉砂岩，平均厚度为2.0 m，呈中厚层状，层理均匀。

3 数值计算

3.1 数值计算软件

本文采用UDEC数值模拟软件，该软件是以离散元为基础的二维计算程序，主要应用于非连续单元体在静载或动载条件下的计算，通过模型中块体组合变化形态展示变化过程[4-5]. 根据1304工作面的实际地质条件，建立放顶煤工作面回采模型，模拟该工作面在回采过程中，上覆岩层运动和变化规律。通过数值模拟结果，直观了解上覆围岩变化特征，并与1305综采工作面进行对比，进一步掌握综放工作面顶板及上覆岩层的垮落特征。

在数值模拟研究过程中，当工作面老顶发生初次来压和周期来压时，上覆岩层运移和垮落特征较为明显。所以，本文对3#煤层开挖，模拟工作面推进到48 m(老顶初次来压)，68 m(第一次周期来压)，88 m(第二次周期来压)进行计算，并与1305工作面回采过程中顶板运移变化情况进行对照比较。

3.2 数值模型建立

采用UDEC离散元软件，根据1304工作面地质情况建立二维计算模型，模型长为300 m，高为69.3 m. 由于煤层倾角较小，不考虑煤层倾角对模型的影响。按照表1实验得到煤岩物理性质参数对模型各层进行赋值。

对于模型边界的处理，固定模型的左右边界，限制在水平方向位移为零；固定模型的上下边界，限制在垂直方向位移为零。由于模型未建立到地表，根据海姆假说及模型的埋深，在模型上部边界施加均布载荷，模拟上部岩层自重应力。为了提高计算精度，对3#煤层网格进行细分。主要煤岩层数值模拟力学参数表见表1. UDEC建立的开挖计算模型见图1.

表1 主要煤岩层数值模拟力学参数表

图1 UDEC建立的开挖计算模型图

3.3 数值模拟结果

使用放顶煤方法开采煤层时，由于顶煤起到了采场直接顶的作用，对上覆岩层起到了一定的支承作用，相比于综采工作面，放顶煤上覆岩层运移表现出其特有的特征。1304、1305综放工作面老顶初次垮落模型图分别见图2,3.

图2 1304综放工作面老顶初次垮落模型图

图3 1305综采工作面老顶初次垮落模型图

根据图2所示，当1304工作面推进至48 m时，发生老顶初次来压，在工作面后方，上覆岩层冒落，矸石充满采空区，老顶岩层形成了“砌体梁”的平衡结构。对比图2和图3分析可知：1) 老顶初次来压时，1304综放工作面的老顶断裂线位于煤壁后方，而1305综采工作面老顶断裂线位于煤壁前方位置。2) 1305综采工作面老顶“砌体梁”结构岩层结构特征比1304综放工作面的明显，在综采工作面上方并未形成类似的“桥拱”平衡结构。1304、1305综放工作面老顶第一次周期垮落模型图分别见图4,5.

图4 1304综放工作面老顶第一次周期垮落模型图

图5 1305综采工作面老顶第一次周期垮落模型图

根据图4，当工作面推进到68 m时，即工作面老顶第一次周期来压，采空区冒落的矸石在上覆岩层的作用下被完全压实，随着工作面的推进，老顶岩层进一步发生断裂。对比图4和图5可知：1) 老顶第一次周期来压时，1304综放工作面的老顶断裂线位于煤壁后方，而1305综采工作面老顶断裂线位于煤壁前方位置。2) 1304综放工作面上覆岩层的垮落强度特征没有1305综采工作面明显；1304综放面垮落的上覆岩层在工作面控顶区位置处形成了一个小型的“桥拱”平衡结构，而在1305综采工作面上方岩层，没有形成类似的结构。1304、1305综放工作面老顶第二次周期垮落模型图见图6,7.

图6 1304综放工作面老顶第二次周期垮落模型图

图7 1305综采工作面老顶第二次周期垮落模型图

由图6和图7分析可知， 当工作面推进到88 m位置时，即老顶发生第二次周期来压，1304综放工作面和1305综采工作面的老顶垮落特征区别仍然主要表现在老顶断裂线位置以及上覆岩层的垮落强度和特征形成的“桥拱”结构两个方面，其基本结构变化与第一次周期来压变化基本相同。

模拟结果显示，1304和1305工作面开采方式不同，其上覆岩层运移变化规律情况不同，在综放工作面上方，由于顶煤的作用，直接顶岩层变厚，为上覆岩层的垮落提供了支承和传递的作用，造成综放工作面矿压显现缓和，变化特征不明显。

4 结 论

本文根据赵庄矿二号井1304和1305工作面的实际地质条件建立数值模型。利用UDEC离散元软件对1304综放工作面及相邻1305综采工作面进行了数值模拟研究，根据其回采方式不同，模型中煤层开挖方式不同，对比了上覆岩层的垮落运移特征，得到以下研究结果：

1) 1304综放工作面老顶断裂线出现在工作面煤壁的后方，而1305综采工作面老顶的断裂线位置出现在工作面煤壁前方位置；1304综放工作面上覆岩层的断裂垮落强度没有1305综采工作面剧烈，说明综放工作面老顶来压强度较综采工作面小。

2) 在综放工作面的开采过程中，工作面上方顶煤起到了直接顶的作用，为上位岩层的垮落提供了支承和传递作用，垮落的上覆岩层在工作面控顶区位置处形成了一个小型的“桥拱”平衡结构，减缓了矿山压力显现。

[1] 吴 健，闰少宏.确定综放面支架工作阻力的基本概念[J].采矿与安全工程学报，1995(Z1)：67-71.

[2] 陆明心，郝海金，吴 健.综放开采上位岩层的平衡结构及其对采场矿压显现的影响[J].煤炭学报，2002，27(6)：591-595.

[3] 王家臣，吴 健，李 报，等.特厚软煤层综放开采矿压观测与分析[J].煤炭科学技术，1997(9)：2-5.

[4] 司荣军，王春秋，谭云亮.采场支承压力分布规律的数值模拟研究[J].岩土力学，2007，28(2)：351-353.

[5] 刘吉波，廉旭刚，戴华阳，等.基于UDEC的岩层与地表移动动态模拟研究[J].煤矿开采，2014，19(3)：104-107.