坚硬顶板综采工作面矿压显现规律研究

顼建新

（同煤集团四台矿，山西 大同 037003）

坚硬顶板因较高的强度，使得其在工作面掘进后不易断裂垮落，在采空区形成较长的空顶距离，易造成煤壁片帮严重及支架压力增大失稳等威胁。因此，研究坚硬顶板综采工作面矿压显现规律对于矿井的安全生产具有积极的作用[1-2]。

虽然目前一些学者对坚硬顶板综采工作面矿压显现规律做了相应的研究[3-5]，并得出一些有益的结论，但由于影响机理的复杂性，仍存在诸多问题。本文以四台矿81220工作面地质和采掘条件为背景，通过数值模拟和现场监测的方法，对坚硬顶板综采工作面矿压显现规律进行分析，研究结果具有一定的工程应用价值。

1 工程概况

四台矿隶属于同煤集团，井田位于大同煤田西北部，核定生产能力500万t/a。81220工作面倾斜长2100m，宽180m，平均埋深245m，主要开采14#煤层，煤层厚度1.6～2.0m，平均厚度1.8m，平均倾角4°，采用走向长壁一次性采全高的采煤方法。工作面直接顶为平均厚度4.0m的中砂岩，老顶为平均厚度15m的细砂岩，直接底为平均厚度2.9m的泥岩。工作面采用采煤机斜切进刀→割煤→装煤→移架→推溜的作业方式，选用ZZ8000/18.5/38型液压支架支护，双滚筒采煤机破煤、装煤，由刮板输送机、转载机、皮带输送机运煤作为运输系统。

2 坚硬顶板综采面覆岩应力分布模拟分析

2.1 模型的建立

依据四台矿81220工作面地质及开采情况，采用FLAC模拟软件建立81220坚硬顶板工作面数值模型，各岩煤层采用摩尔-库伦模型，根据地质勘察报告岩煤层物理力学参数见表1。模型四周和底部为固定约束，工作面沿走向和倾向距侧边均为30m，为简化模型，将上部岩层按均布载荷设置取10MPa，最终建立模型长150m，宽100m，高80m，如图1。

表1 岩层物理力学参数

图1 数值模型

2.2 覆岩应力分布规律分析

工作面的推进破坏了地层原应力平衡状态，使得应力重分布，且工作面推进不同距离时覆岩应力分布情况也有较大差异，在模拟时工作面每次推进10m。采用FLAC软件分别对工作面推进20m、40m和60m时的坚硬顶板综采工作面覆岩应力分布情况进行模拟分析，垂直应力分布云图如图2所示。可以看出，工作面掘进后采空区顶板覆岩垂直应力分布较平缓均匀，基本呈对称分布，垂直应力发生卸载显著减小，在前方煤壁处产生应力集中现象。当工作面推进20m、40m、60m时，垂直应力峰值分别为24.3MPa、39.7MPa、54.3MPa，增幅分别为63.4%、36.8%，可以看出应力峰值随工作面推进距离的增大而增大，但增幅减缓，同时采场扰动影响范围持续增大，应力卸载减小区范围发展到整个采空区顶板。

图2 不同推进距离时垂直应力分布云图

2.3 覆岩沉降分析

图3为不同推进距离时工作面覆岩沉降云图。可以看出工作面推进不同距离时覆岩沉降最大值均在采空区中部，两侧沉降逐渐减小，呈对称分布，且覆岩埋深越浅沉降值越小。

当工作面推进20m、40m、60m时，覆岩最大沉降值分别为124mm、438mm及859mm，随工作面推进距离的增大相同位置处的沉降值增大，且沉降影响范围也增大。分析原因主要由于随工作面的推进，顶板空顶距离增大，覆岩沉降值发生较大增长，采场扰动继续向四周传递，扰动范围增大，采空区底板发生隆起，但随工作面推进距离的增大改变较小。

图3 不同推进距离时覆岩沉降云图

2.4 覆岩破坏规律分析

图4为不同推进距离时工作面塑性区分布图。可以看出，不同推进距离时塑性区均主要分布在采空区顶底板处，当工作面掘进20m时，顶板大部分区域较稳定，仅中部由于拉伸破坏失稳出现小范围的破碎垮落；当工作面掘进40m时，顶板破坏区域范围增大，但仅出现在直接顶区域，由此判断推进长度尚未大于顶板极限垮落步距，并未达到初次来压；当工作面掘进60m时，顶板塑性破坏区域范围急剧增大，顶板由于剪切、拉伸发生离层现象，采空区上部30m处煤岩层也发生拉伸破坏，由此判断81220工作面初次来压步距为60m。

图4 不同推进距离时塑性区分布

3 坚硬顶板综采面覆岩活动规律实测分析

为分析坚硬顶板综采工作面回采期间覆岩活动规律，对81220工作面进行现场实测，沿工作面倾斜方向布置测线，采用YHY-60液压支架监测仪对ZZ8000/18.5/38型液压支架的工作阻力进行监测。

3.1 初次来压分析

81220工作面回采期间被监测液压支架初次来压工作阻力曲线如图5所示。可以看出，在11日当工作面推进55m时，20#支架工作阻力有一个突增的变化，支架工作阻力由5128kN增至6447kN，增幅约25.7%，且煤壁侧出现较明显的片帮现象。由此判断81220工作面初次来压，来压步距为55m。分析其原因，是因为当工作面的推进距离大于顶板的极限垮落步距时，在上部岩煤层的压力作用下基本顶破碎断裂，并产生较大的能量，在开挖面前方产生较大应力集中区和塑性变形区，向下传递至煤壁，增大了发生片帮的风险，同时压力向下传递使得液压支架工作阻力增大。

图5 支架工作阻力曲线图

3.2 周期来压分析

在81220工作面初次来压后，随工作面的继续推进，顶板破断岩煤体长度增加，当其长度大于极限垮落步距时，顶板再次发生断裂垮落，如此循环导致工作面周期来压的形成。在工作面回采期间对液压支架工作阻力持续进行监测，第一次周期来压期间20#、21#、22#三个支架工作阻力曲线如图6所示。

图6 支架工作阻力曲线图

表2为三个支架周期来压期间的监测数据。可以看出，周期来压期间支架工作阻力由5199kN增大至6257kN，增幅约20.4%，平均周期来压步距约为21.5m，来压持续长度约为3.2m。

表2 周期来压监测数据

对比分析坚硬顶板综采工作面覆岩应力分布模拟结果和顶板来压监测结果，可知随工作面的推进，应力峰值增大，扰动范围增大同时工作面形成周期来压，液压支架工作阻力增大。

4 结论

本文以四台矿81220工作面地质和开采条件为背景，通过数值模拟的方法，分别对坚硬顶板综采工作面覆岩应力分布规律、覆岩沉降及破坏规律进行分析，对初次来压和周期来压期间支架工作阻力进行现场监测，监测结果表明：

（1）应力峰值随工作面推进距离的增大而增大，但增幅减缓，同时应力卸载减小区发展到整个采空区顶板范围。

（2）随工作面的推进，顶板空顶距离增大，覆岩沉降值发生较大增长，采场扰动继续向四周传递，扰动范围增大。

（3）坚硬顶板综采工作面初压时支架工作阻力突增，且煤壁侧出现较明显的片帮现象。