大采高采场覆岩结构特征及矿压显现研究

杜毅飞

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿， 山西 太原 030053）

综放开采随着近30 a 的发展，技术水平及装备都有了大幅度的提升，我国煤矿开采的安全越来越重要。在上覆岩层破坏及矿压显现问题上众多学者对其进行过研究[1,2]。采场的覆岩运动是造成矿压显现的重要原因[3,4]。本文通过数值模拟研究对马兰矿18509 综采工作面上覆岩层结构运动对矿压显现的影响作出研究，为矿山治理矿压显现问题作出借鉴。

1 上覆岩层运移及矿压数值模拟

马兰矿位于山西古交，距太原市69 km，设计年生产能力400 万t，为了研究覆岩的运动及矿压显现规律，马兰矿采用数值模拟软件CDEM 对18509 综采工作面的上覆岩层破坏、爆破欲裂及液压支架的受力情况进行分析。首先根据现场的地质资料对计算模型进行建立。根据地质资料将模型的走向长度设置为400 m，模型的工作面推进距离设置为153 m。并根据现场的数据对模型进行支架模型加载，且在支架的顶梁位置设置应力监测点，用于监测模型在计算过程中的支架振动情况，并在内外立柱的交接面上设置测点用于监测支架的工作阻力。

数值计算选用的本构模型为摩尔库伦模型，本文设置的液压支架模型可以采用立柱压缩与支架的工作阻力的关系式进行设置，关系公式可以表示为：

式中：P为液压支架的工作阻力，Pa；P1为液压支架的初撑力，Pa；K为支架的液压刚度，为定值本文设定为250 MPa/m；ΔS为立柱的绝对下缩量，m。

液压支架的模拟本构曲线如图1 所示。

图1 液压支架的模拟本构曲线

由图1 可以看出，液压支架的本构关系可以分为两个部分，一部分为支架工作阻力从支架的初撑力P1随着支架的立柱绝对下降高度线性增加，直至增大至支架的额定阻力P2，第二部分为模拟过程中的安全阀打开，液压支架的工作阻力不随着立柱的伸缩量的变化而改变，持续维持在支架的额定阻力P2。随着工作面的推进支架随着移架一直重复着上述过程。在顶板的开切眼出进行爆破欲裂，爆破裂缝间的填充岩体无力学参数。

根据其现场实测的地质资料对模型进行参数设定，模型的材料力学参数对照表如表1 所示。

表1 模型的材料力学参数对照表

完成模型的材料参数设定后，对模型的网格进行划分，一般来说网格的划分要遵循模拟实验的精确度及电脑的运行性能等，网格划分过粗会影响计算结果精确度，网格划分过细会加大电脑的运行负荷，所以适当的网格划分对模拟计算十分重要。完成网格划分后对模型的边界进行固定约束设置，完成建模过程后对模型进行计算。如图2 所示为岩拱结构水平应力云图。

图2 岩拱结构水平应力云图

根据图2 可以看出，当工作面推进至88 m 时，由于顶板事先进行过预裂，所以云图的法向应力较低。直接顶的岩层随着采动进行垮落，爆破切缝处的基本定分层垮落。在距离切缝较远的位置，由于岩层间本身的黏聚力作用，所医院才能并不会垮落，而在岩层的下端部形成悬臂的结构，右侧拱角随着工作面的不断推进形成部队称的岩拱结构。不对称的拱结构的形态呈现出左高右低的形态，此时的应力较低。

如图3 所示为岩层结构的破坏情况及其水平应力分布情况。

图3 岩拱结构破坏水平应力云图

根据图3 可以看出当工作面推进至88~93 m 的过程中，基本定的岩拱及应力顶发生破坏，岩层的破坏直至地表岩层。爆破预裂产生的非对称岩拱结构右侧拱角的厚度明显高于左侧岩层，左侧岩层的承载能力弱，破坏较为严重。右侧拱角位置的基本顶下侧岩层发生分层垮落，上部的岩层发生断裂下沉。由于左侧的岩层较薄所以左侧的水平应力云图并不连续。右侧由于岩层较厚，出现一定的分层垮落，承载能力较强，此时的支架工作阻力较低。

当工作面经历第一次来压后，基本定的下部分岩层垮落形成悬臂梁，上部分基本定形成铰接岩梁承载上覆岩层的自身质量。支架的工作阻力仍处于较低的状态。随着工作面继续推进由于基本顶下部的悬臂梁长度的加大，悬臂梁结构发生破坏，此时工作面推进至113~118 m 的位置，造成工作面二次来压。

当工作面经历二次来压后，基本顶的悬臂梁发生破坏，上部的铰接结构处于稳定状态，支架的承压仍不大。当工作面继续推进时至143~148 m 时，基本顶发生整层的失稳破坏。安全阀开启，支架承压达到额定阻力，如图4 所示为铰接岩梁水平应力云图。

图4 铰接岩梁水平应力云图

当18509 工作面推进至93 m 和143 m 时，基本顶的岩层发生整层的断裂，覆岩的破坏严重，工作面经历第一次及第三次来压。当工作面推进至118 m时，下部悬臂梁发生破坏。

2 基本顶应力分布研究

为了更好地分析基本顶的应力分布情况，在基本顶的中间部位设置应力监测线实时监测基本顶的应力变化，根据监测到的数据进行绘制应力分布图如图5 所示。

图5 基本顶垂直及水平应力分布曲线

由图5 可以看出，18509 工作面推进至33 m、63 m和88 m 时，监测线上的垂直应力及水平应力均不断增加。在距离工作面前8 m 及20 m 处垂直应力及水平应力达到最大值。当工作面推进至93 m 时，超前工作面前方约10 m 的位置水平应力呈现出降低的趋势，在超前5 m 的位置垂直应力呈现出上升的趋势。随着工作面推进岩拱右侧拱角发生迁移，垮落距增大，水平应力及垂直应力均有所增大，当拱发生断裂后水平应力出现降低，垂直应力呈现出增大的趋势。

当工作面推进至118 m 时，测线监测到超前工作面10 m 的区域内水平应力及垂直应力大致呈现出先减小后增大的趋势，在超前10 m 的位置出现峰值。推进至123 m 的位置时，此时的水平应力降低至原岩应力。当工作面经历第二次来压时，基本顶下部发生破坏，水平应力呈现出增大的趋势，垂直应力降低[5]。

当工作面推进至138 m 时，监测到水平应力及垂直应力增大至峰值后又会降低至原岩应力。推进至143 m 的位置时，此时的水平应力较工作面推进至138 m 时大。当工作面经历第三次来压时，基本顶上部的铰接结构发生破坏，基本顶失稳，水平应力及垂直应力均出现增大的趋势。

3 结论

1）通过理论分析和数值模拟的方法给出了支架与围岩的关系曲线，为采场研究覆岩破坏过程及来压强度提供参考。

2）通过分析上覆岩层的垮落及矿压显发现了在工作面推进50 m 时基本顶出现分层跨落，拱岩破坏后基本顶下部形成悬臂梁上部形成铰接梁，并对其水平应力云图做出分析。

3）通过在基本顶布置监测线研究了基本顶随着工作面推进水平应力及垂直应力的变化趋势，给出了矿压显现的原因及来压步距。