综采工作面顶板来压规律的模拟研究

秦佳斌

（五矿矿业（安徽）工程设计有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

随着工作面的不断推进，上覆岩层呈某种规律性活动，国内外诸多学者经常通过判定直接顶和老顶的步距进行分析。直接顶的分类指标依据为控顶的难易程度、岩石单轴抗压强度(σc)、节理裂隙间距（I）、分层厚度（h）。结合以上4种参数分析，可以得出一个较为综合性的指标用来判定直接顶的性质，即强度指数（D）。同时，用分级公式的方法可以将老顶进行级别分类[1]。基于此，确定直接顶的初次垮落步距、老顶的初次来压步距以及周期来压步距等参数，可以作为研究工作面顶板来压规律的基础[2-3]。本文使用离散元数值模拟软件UDEC进行模拟，模拟了云驾岭矿20103工作面推进的全过程，覆盖了直接顶发生初断、老顶发生初断及周期性断裂。基于模拟后的数据分析处理，可以得到采场上覆岩层的运动参数，是分析综采工作面顶板来压规律的有力依据。

1 工作面顶板矿压显现

随着煤层的开采，顶板的暴露面积不断扩大，上覆岩层中的应力逐渐集中，加之其自重影响，在一定距离时，直接顶发生断裂并垮落。但在两侧煤壁的支撑下，老顶依然可以保持完整，其自重和上覆岩层产生的压力会传递至两侧煤壁。当工作面推进至一定距离时，老顶发生第一次断裂和垮落，此时顶板迅速下沉，老顶垮落一端的部分应力转移至采空区的垮落矸石，另一端的应力则通过悬臂梁结构向煤壁更加集中。此时的工作面压力急剧增大，老顶的初次垮落标志着工作面顶板的初次来压。

随着工作面的继续推进，老顶的悬臂不断变长，在上覆岩层及自重的影响下，老顶周期性地发生断裂，之后再垮落，工作面再次处于悬臂梁的掩护下。沿工作面的推进方向，老顶周期性地发生断裂和垮落，应力周期性地向采空区和煤壁转移，这种现象被称为老顶的周期垮落和周期来压。

2 计算模型的建立

在误差允许的精度范围内，根据20103工作面的实际地质条件，在模型中合理地简化处理工作面。模拟界面的x轴和y轴分别表示工作面推进的水平方向及煤层与上覆岩层的垂直方向。

为全面覆盖所需参数，沿x轴方向的长度约为300 m，沿y轴方向的长度约为70 m。

20103工作面的煤层为缓倾斜煤层，倾角很小，因此将模型中的煤层近似水平放置。本次开挖的平均厚度约为5 m，煤层的平均埋深约为420 m。若开挖至模型边界附近，则边界效应会对结果产生较大影响。因此，设定开挖总长100 m，开挖步距5 m。具体的计算模型如图1所示。

图1 计算模型Fig.1 Computation module

3 模拟结果与分析

工作面的推进会使上覆岩层的悬露长度不断增大。岩层由于重力作用，发生一定的形变。当顶板的悬露长度到达其最大稳定承受值后，两端煤壁附近的集中应力超过可承载极限，直接顶发生断裂、冒落。如图2所示，此时的上覆岩层发生如下变化：当工作面推进至15 m时，在直接顶暴露的中部发生断裂现象，同时形成2个几乎对称的类似砌体梁结构。随着工作面的推进，此结构的下沉量依然会有一定增加，当沉降值达到一定极限时，此结构将无法维持稳定，发生质的变化，即自行冒落。冒落高度约为2 m，呈非对称形态。

图2 直接顶初次垮落Fig.2 First caving of the immediate roof

之后，沿着开挖的前进方向，直接顶随着开挖不断发生冒落现象，如图3所示。

图3 竖直方向位移Fig.3 Vertical displacement

随着直接顶的不断冒落，老顶在其自身重力及上覆岩层的作用下也会逐渐发生一定变化，这种变化主要是弯曲下沉。当模型开挖至35 m时，老顶在开挖位置上方岩层的范围内发生明显变化，产生了拉裂现象。不同于直接顶的初次垮落，老顶的初次垮落并未呈现明显的对称性，破断的两个主要部分呈现出一定的回转现象，如图4所示。

图4 老顶初次垮落Fig.4 First caving of the basic roof

当开挖距离达到55 m时，老顶再次发生拉裂，并伴随一定的回转。之后每次拉裂后开挖达20 m，老顶都会发生新的拉裂回转现象。

根据上述模拟结果，可以得出工作面推进方向上应力变化的特点。工作面前方的支承压力范围：当开挖至15 m位置时，应力集中在煤壁两端附近显现，产生的应力集中范围如图5所示。

图5 开挖过程中应力分布Fig.5 Stress distribution during excavation

在开挖刚开始的时候，应力集中现象就会在开挖的两端煤壁附近出现，整个煤层都会处于弹性状态。直接顶产生初次来压后，煤壁附近的应力开始迅速下降。随着开挖的不断深入，当开挖至35 m时，煤壁附近发生应力突增。继续开挖，煤壁附近的应力呈现持续增长态势。直到当开挖至55 m范围时，煤壁附近的应力集中程度发生了较大的减弱，其原因在于老顶出现了初次来压。与此同时，估算其外应力场的跨度为47 m，估算其内应力场的跨度为10 m。这种应力集中的变化规律会随着开挖的不断推进周期性产生，具有极高相似性。

4 结 论

（1）随着工作面的推移，直接顶随采随垮，老顶断裂由深至浅，周期性垮落。直接顶的冒落在一定程度上受老顶的来压影响。模拟显示模型在开挖过程中，直接顶的初压步距约为15 m，老顶的初压步距约为35 m，老顶的周期来压步距约为20 m。

（2）随着开挖的不断进行，模型中数据在不断变化。通过深入分析，煤壁附近将会产生35 m的应力集中范围；在煤壁的开挖方向上逐渐产生外应力场及内应力场。应力集中沿工作面的推进方向逐渐向煤壁转移。