特厚煤层坚硬顶板应力演化及破断规律数值模拟研究

董伟宏

（西山煤电白家庄矿第二项目部， 山西 太原 030022）

综合机械化放顶煤开采方法促进了特厚煤层坚硬顶板工作面的快速高效生产，但同时也造成特厚煤层综放工作面的强矿压显现情况，这将会导致采空区悬顶面积大、难以垮落等问题，若采空区悬顶发生大面积垮落，则会引起工作面出现大面积来压，最终造成工作面飓风、支架压死等危险情况，从而带来难以挽回的生命财产损失[1-2]。因此，必须针对各个矿井的实际地质条件，加强对特厚煤层坚硬顶板综放工作面矿压监测，掌握工作面矿压显现规律，为该类矿井实现安全高效生产提供理论依据。

1 22203 综放工作面概况

韩家洼煤业22203 综放工作面开采22 号煤层，该煤层煤厚10.3～12.7 m，平均11.5 m，倾角范围2°～8°，平均5°，平均埋藏深度200 m。工作面掘进期间共揭露15 条正断层，其中3 m 以上的7 条，3 m 以下的8 条。22 号煤层上覆为平均厚1.10 m 的泥岩伪顶，直接顶为平均厚3.00 m 的砂质泥岩，老顶为平均厚30 m 的细砂岩。根据以往其他22 号煤层工作面开采情况，顶板的整体性和稳定性好，细砂岩的抗拉强度为5.20 MPa，剪切模量为19.09 GPa，属于坚硬顶板。采用两巷布置方式，其中运输顺槽兼具进风功能，回风顺槽兼具轨道运料功能。采用单一走向长壁后退式低位放顶煤开采的采煤方法，推进方向为由北向南沿煤层底板方向，采用全部垮落法管理顶板。

2 特厚煤层坚硬顶板综放开采三维数值计算模型

根据22203 综放工作面实际工程情况，通过FLAC3D数值模拟软件建立如图1 所示的三维数值计算模型。

图1 三维数值计算模型

图1 中模型的尺寸为300 m×150 m×60 m，含6层煤岩层，其上下左右及底部边界设置为法向位移固定的形式，在顶部边界设置5 MPa 的上覆岩层自重载荷，采用Mohr-Coulomb 准则。表1 所示为各煤岩层物理力学参数统计情况。

表1 各煤岩层物理力学参数统计情况

在模拟综放工作面推进的过程中，为了更加真实地体现开采扰动对岩层力学性质的影响，在数值计算的过程中嵌入了FISH 语言编写的双线性损伤计算的程序。损伤演化方程为：

式中：w 为岩石的损伤度；ε 为应变；εf、εu为确定双线性模型的两个参量。

为了研究不同工程地质因素对特厚煤层综放工作面坚硬顶板应力演化与破断规律的影响，分别对软顶、中硬顶、坚硬顶三种情况下顶板的初次来压与周期来压规律进行分析研究。

3 初次来压期间坚硬顶板应力演化及破断规律分析

根据岩石力学相关理论，可将最大、最小主应力的差值Δσ 作为顶板岩层是否发生断裂破坏的判别标准[3]。在未采用强制放顶措施条件下，工作面推进不同长度时，煤层上覆顶板5 m 位置处的主应力差的变化情况如下页图2 所示，图2 中，Δσ0表示原始应力条件下顶板岩层某一位置的主应力差。

图2 工作面推进过程中煤层上方5 m 处顶板中主应力差的变化曲线

从图2 中可以发现，工作面推进一定长度时，在采空区的前、后方均有高应力区域，但在其上方有低应力区域。因此，在工作面的推进过程当中，顶板岩层中任意一点均会出现先增压后卸压的现象。在工作面不断向前推进的过程当中，位于工作面煤壁前方顶板中高应力区域的应力及其范围也不断增大，然而在工作面推进长L 为60～70 m 时，位于工作面煤壁前方顶板中的高应力区域会向其后方转移。据此能够得到，此时采场顶板会出现由其四周的“O”形断裂变形延伸贯通到工作面长度方向的“X”形断裂变形，此时老顶出现大面积破断破坏，即老顶初期来压。

改变顶板的黏聚力、内摩擦角等关键力学参数来模拟软顶、中硬、坚硬顶板，图3—图5 分别为不同顶板强度条件下工作面推进不同距离时的垂直应力分布云图。

图3 软顶工作面推进不同距离时的垂直应力（Pa）分布

图4 中硬顶工作面推进不同距离时的垂直应力（Pa）分布

图5 坚硬顶工作面推进不同距离时的垂直应力（Pa）分布

通过图3—图5 可以得出，当软顶工作面推进至L=20 m 时，老顶处已经出现为零的垂直应力，这说明此时老顶开始破坏，当软顶工作面推进至L=30 m 时，采空区上方老顶大面积破坏；当中硬顶工作面推进至L=20 m 时，采空区上方直接顶与伪顶的位置垂直应力为零，这说明直接顶与伪顶已经垮落，当中硬顶工作面推进至L=40 m 之后，老顶垂直应力为零，这说明老顶已经开始垮落；当坚硬顶工作面推进至L=20 m时，采空区上方直接顶与伪顶已经垮落，而在工作面推进至L=60 m 后，老顶才出现大面积断裂破坏。随着顶板坚硬程度的减小，对上覆岩层的卸压程度加大，顶板垮落越快。

4 周期来压期间坚硬顶板应力演化及破断规律分析

为进一步分析特厚煤层综放工作面周期来压期间坚硬顶板应力演化及破断规律，采用充填采空区的方法来近似地模拟顶板的初次破断垮落后对采空区压实作用的影响。依据上述数值模拟结果，取坚硬顶板初次来压步距为70 m，当工作面累计推进距离达到顶板初期垮落步距时，对该推进段采用弱材料进行充填，以模拟采场顶板的初次垮落压实情况。假设采空区充填弱材料为弹性材料，定义采空区压实率η 为采空区充填弱材料弹性常数与顶板覆岩层弹性常数的比值，根据工程经验确定采空区压实率为η。

如图6 所示为工作面周期来压时推进L=100 m、L=130 m 的垂直应力分布云图。

图6 工作面周期来压垂直应力（Pa）云图

从图6 中可以得出，当工作面推进至L=100 m时，工作面前方煤壁产生应力集中显现，采空区上方老顶中有垂直应力为零的情况，这说明老顶开始垮落，此时老顶出现周期来压；当工作面推进至L=120 m时，工作面前方煤壁产生应力集中显现，采空区上方老顶中有垂直应力为零的情况，这说明老顶开始垮落，此时老顶也出现周期来压。由此可以得出，工作面周期来压步距约20 m。

如图7 所示为不同顶板强度条件下，工作面推进不同距离时的垂直应力分布云图。

图7 不同顶板强度条件下工作面周期来压时的垂直应力（Pa）分布云图

从图7 中可以得出，当软顶工作面推进至L=50 m时，老顶处已经出现垂直应力为零的情况，这说明此时老顶开始破坏；当中硬顶工作面推进至L=75 m 时，老顶垂直应力为零，这说明老顶已经开始垮落；当坚硬顶工作面推进至L=100 m 时，老顶才出现大面积破坏。因此，随着顶板坚硬程度的减小，对上覆岩层的卸压程度加大，顶板垮落越快。

5 结论

1）在坚硬顶板条件下，22203 综放工作面老顶的初次来压步距约70 m，周期来压步距约20 m。

2）通过对比软顶、中硬顶、坚硬顶三种情况下的顶板应力演化及破断规律可以得出，在老顶初次来压期间和周期来压期间，随着顶板坚硬程度的减小，对上覆岩层的卸压程度加大，顶板垮落越快。

3）根据数值模拟结果，在坚硬顶板条件下，老顶初次来压步距较大，易造成工作面飓风等危险发生，必须采取人工强制放顶的技术手段。