大采高综采面顶板破断特征与覆岩活动规律分析

李嘉裕

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

1 概述

我国煤层赋存条件复杂，目前大量矿井正在开采受地质构造影响的煤炭资源，该类地质条件下，若煤层较厚、采高较大，其顶板稳定性明显降低，面临的直接问题就是易出现直接顶切割冒顶现象，直接威胁到工作面的安全高效回采[1-3]。针对工作面覆岩活动规律，国内外专家学者进行了大量研究，如悬臂梁、压力拱、铰接岩块、传递岩梁、砌体梁、关键层等众多理论假说[4-6]。本文以煤峪口矿82002 大采高综采面为工程背景，揭示大采高综采面顶板破断特征与覆岩活动规律，为支架选型和工作面参数确定提供理论依据。

2 相似模拟方案

煤峪口矿412 盘区82002 工作面开采11#煤层，工作面埋深296.1～318.9 m；煤层厚度4.0 m，含1～2 层夹矸；开切眼宽度7.0 m，高度4.0 m；直接顶为2.0 m 厚的细砂岩，基本顶为8.0 m 厚的粗砂岩。模拟时，按比例（100:1）建立相似模拟模型，模型长1 800 mm、高1 000 mm、宽160 mm，其中直接顶及上覆岩层厚度860 mm，等价于86 m 高度，上部施加869.53 kg配重等价工作面埋深300.0 m；模拟动力相似比和时间相似比分别为1.7:1、10:1，监测模型开挖过程中的覆岩应力和位移规律，测点布置见图1，测点共计8 层17 列，间距均为100 mm。

图1 测点布置

3 顶板破断特征与覆岩活动规律

相似模拟试验工作面沿走向开采，开切眼宽度70.0 mm，等价于7.0 m，开切眼高度40.0 mm，等价于4.0 m，每次开挖50.0 mm，等价于工作面回采5.0 m。图2给出了相似模拟结果，图3给出了工作面开挖1 200 mm（120.0 m）时的覆岩下沉曲线。当工作面开挖400 mm 时，工作面直接顶失稳，发生初次垮落（高度20 mm）；当工作面开挖500 mm（50.0 m）时，工作面基本顶初次破断，即垮落步距为500 mm（50.0 m），垮落高度约80 mm（8.0 m）；未破断的基本顶岩层出现弯曲下沉，基本顶岩层垮落后，冒落矸石仍距上覆岩层约20 mm（2.0 m）；由于回采范围较小，基本顶岩层的初次破断尚未引起上覆岩层的剧烈活动。随着工作面继续开挖，基本顶岩层及其上覆岩层开始出现离层，当工作面开挖至700 mm（70.0 m）时，基本顶岩层出现二次破断，即垮落步距为200 mm（20 m），其上覆岩层变形量显著增加；当工作面开挖至850 mm（85.0 m）时，即垮落步距为150 mm（15 m），基本顶岩层再次破断，上覆岩层变形量继续增加，并出现明显弯曲下沉现象，此时采空区冒落矸石距未破断顶板距离由20 mm减少至10 mm（即由2 m 减少至1 m）。当工作面开挖至1 050 mm（105.0 m）、1 200 mm（120.0 m）时，基本顶岩层出现破断，垮落步距分别为200 mm、150 mm（即20 m 和15 m），至此采空区冒落矸石与未破断顶板相互接触，而上覆岩层仍存在离层现象。工作面开挖1 200 mm（120.0 m）后，停止开挖，模拟结束，此时，基本顶及其上覆岩层呈现倒台阶状垮落。

图2 相似模拟结果

图3 工作面开挖1 200 mm 时的覆岩下沉曲线

模型铺设时采用应变片标定了应力值，并实测了开挖过程中的基本顶岩层应力变化情况。当工作面开挖0～100 mm 时，开挖范围较小，应力变化较小，覆岩变形较小；当工作面开挖400 mm 时，直接顶初次垮落，基本顶岩层小范围变形，基本顶岩层局部应力集中；当工作面开挖500 mm 时，基本顶岩层出现初次破断，基本顶岩层出现较大范围的应力集中，最大应力值约24 MPa；当工作面开挖700 mm时，基本顶岩层出现初次来压，应力值有所降低，应力最大值约13 MPa；工作面开挖至1 200 mm 时，基本顶岩层累积发生3 次周期来压，采空区冒落矸石逐渐压实，基本顶岩层内应力逐渐增高，此时应力集中现象主要发生在工作面前方未开挖煤体以及滞后工作面一定范围内的基本顶岩层，表明工作面位置存在一定的压力拱结构，承载开挖扰动形成的载荷。

4 现场矿压规律分析

在煤峪口矿82002 大采高综采面回采过程时监测了工作面来压情况，表1给出了10 个支架受力观测站的矿压数据。由表1可知，82002 大采高综采面初次来压步距在34.90～40.10 m 范围内，平均来压步距37.08 m。综采面初次来压强度在21.52～28.86 MPa范围内，平均来压强度25.53 MPa，平均动载系数1.7；综采面周期来压步距在16.29～22.88 m 范围内，平均来压步距19.54 m，周期来压强度在16.82～20.87 MPa范围内，平均来压强度18.42 MPa，平均动载系数1.2。综上表明，现场矿压规律与相似模拟试验结果基本吻合，表明了相似模拟试验的合理性和可靠性。

表1 矿压观测汇总

5 结语

本文以煤峪口矿82002 大采高综采面为工程背景，采用相似模拟试验，揭示了大采高综采面顶板破断特征与覆岩活动规律：工作面初次来压和周期来压主要是由基本顶破断造成工作面前方未开挖煤体以及滞后工作面一定范围内煤岩体应力增加，表明工作面位置存在一定的压力拱结构，该结构承载开挖扰动形成的载荷。现场矿压规律验证了相似模拟的合理性，为支架选型和工作面参数确定提供理论依据。