综采工作面坚硬顶板上覆岩层“三带”高度研究

张文平

（晋圣公司亿欣煤业生产部，山西 晋城 048006）

坚硬顶板工作面回采后，可能会造成顶板大面积来压，影响工作面安全回采。通过分析工作面上覆岩层“三带”高度，研究工作面矿压显现规律，为工作面安全回采和支护提供依据[1-3]。亿欣煤业15#煤平均厚度2.8m，顶板主要由粉砂岩、细沙岩构成，岩层强度大，工作面周期来压步距大，容易造成大面积悬顶。当顶板大面积来压时，瞬间释放的能量大，易造成人员伤亡和设备的损坏。因此，分析工作面顶板裂隙带、弯曲带和垮落带，能够为15#煤层其他工作面的布置、煤柱留设、巷道支护、回采控制等提供可靠的矿压基础资料，为矿井安全生产提供有效保障。

1 工作面概况

XV2302工作面位于二水平九四盘区，地面标高843～972m，煤层底板标高590～604m，主采煤层15#煤，平均厚度2.8m。工作面的直接顶板为粉砂岩层，平均厚约3.93m，直接顶普氏硬度f=3～4，视密度2.75t/m3，单轴抗压强度69.8MPa，顶板强度高。XV2302工作面为两硬围岩工作面，回采后矿压显现比一般条件工作面更为剧烈，因此，需要对工作面上覆岩层“三带”高度进行研究，分析工作面矿压显现规律，为工作面顶板支护提供依据。

2 工作面“三带”相似模拟

由于现场观测手段具有一定的局限性，不能直观看到工作面覆岩运动情况，并且坚硬顶板综采工作面采场顶板岩层移动过程比较复杂，这就给采场矿山压力显现规律的研究带来了一定的困难[4-5]。进行实验室相似材料模拟试验可以弥补这一缺点。建立长×宽×高=4.0m×0.3m×2.0m的模型，在15#煤上方0.1m、0.4m、0.7m、1.0m处分别布置4条位移监测线，测点间距为0.2m。

模型自左向右开挖，每次开挖步距为10cm，得到15#煤2302工作面回采后上覆岩层运动规律，如图1所示。

由图1可知，当模型开挖至14.6cm位置时，直接顶初次来压，来压步距为14.6m；当模型开挖至32.0cm位置时，基本顶初次来压，来压步距为32.0m。基本顶周期来压步距平均约15.8m，其运动状态基本上为岩块铰接平衡，来压特征较为明显。基本顶来压特征如表1所示。

图1 XV2302工作面回采后上覆岩层运动特征

由图1、表1可知，XV2302工作面回采后，上覆岩层受动压影响，直接顶、基本顶会发生大面积来压，顶板会逐渐垮落。当工作面推进至距切眼12m处时，顶板开始出现离层，随着工作面向前推进，离层的高度逐渐增大。当工作面推进至距切眼22m处时，离层裂隙增长至9m，此时，工作面顶板垂直方向开始出现裂隙。工作面继续推进，离层与纵向裂隙相互影响。当工作面推进至距切眼32m处时，基本顶初次来压，离层继续沿着垂直方向向上发展，顶板开始出现斜交裂隙，并随着工作面推进呈周期发展。当基本顶发生周期来压时，横纵裂隙相互作用，顶板呈现岩层组整体垮落下沉。

表1 XV2302回采后基本顶来压特征

当XV2302工作面推进至115m时，上覆岩层“三带”基本形成。根据相似模拟试验测算可知，垮落带高度约为5.8m，裂隙带高度约27.2m，直接顶、直接顶初次来压步距及顶板运动特征与现场实测结果基本相符。

3 工作面矿压显现特征

3.1 模拟方案

采用FLAC3D数值模拟XV2302工作面推进至不同距离时支承压力分布情况[6-7]。根据2203工作面地质条件，建立150m×100m×160m的力学模型，材料参数如表2所示，垂直方向施加5.5MPa应力，水平侧压系数为1。

表2 工作面材料参数

3.2 模拟结果分析

（1）超前支承压力

采用FLAC3D模拟得到XV2302工作面推进至20m、40m、60m位置处工作面超前支承压力云图，如图2所示。

由图2可知，XV2302工作面推采后，围岩应力重新分布。当推进至距切眼20m处时，煤壁前方及工作面采空区后方围岩垂直应力明显增高，在工作面前后出现应力集中区，超前支承压力峰值为27MPa，影响范围30m，峰值距煤壁11m。当推采至距切眼40m处时，由于顶板悬露面积增大，导致工作面前后支承压力值也有一定幅度的增大，超前支承压力峰值为36MPa，影响范围35m，峰值距煤壁10m。当推进至距切眼60m处时，超前支承压力峰值为35MPa，影响范围35m，峰值距煤壁10m。

图2 XV2302工作面不同推进距离超前支承压力图

由此可知，XV2302工作面来压期间超前支承压力峰值为27～35MPa，影响范围为前方0～35m，峰值区距煤壁10m。受工作面顶底板条件影响周期来压期间支承压力峰值区较常规工作面前移。

（2）侧向支承压力

采用FLAC3D模拟得到XV2302工作面侧向支承压力云图，如图3所示。

图3 XV2302工作面不同推进距离侧向支承压力图

由图3可知，XV2302工作面两端头出现应力集中，侧向支承压力影响范围为11.90m。其中距工作面侧向6.35m范围为影响剧烈范围，应力峰值为12.09MPa，应力集中系数为1.51，峰值位置侧向距离较小，约为0.45m。

4 巷道围岩变形量分析

通过现场监测XV2302工作面回风巷围岩变形量，对支承压力数值模拟进行验证。共布置1～4#测点，测点间距10m，当工作面推进50m后观测巷道围岩变形量。

根据监测结果可知，XV2302工作面回风巷在超前工作面35m左右开始出现移近变化，但变形量和变形速率小。在工作面前方约20m处时，巷道围岩变形量和变形速度大幅度增加，在工作面前方10m处达到峰值，巷道最大顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量分别为13mm、18mm、27mm。

5 结论

（1）通过相似模拟试验模拟工作面回采后上覆岩层运动规律，得到XV2302工作面上覆岩层“三带”高度。根据模拟结果可知，垮落带高度约为5.8m，裂隙带高度约27.2m。

（2）采用FLAC3D模拟工作面不同推采距离支承压力。根据模拟结果可知，15#煤工作面支承压力峰值和影响范围较常规工作面大，工作面超前支承压力峰值为27～35MPa，影响范围为前方0～35m，峰值区距煤壁10m；侧向支承压力影响范围为11.90m，应力峰值为12.09MPa，峰值位置侧向距离0.45m。

（3）通过监测工作面回风巷围岩变形量对模拟进行验证。根据现场监测结果可知，监测结果与模拟结果基本一致，在工作面前方10m处围岩变形量达到峰值，最大顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量分别为13mm、18mm、27mm。