急倾斜煤层浅部开采顶板破断致灾原理与控制

索永录，祁小虎，刘建都，肖江

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

[摘要]为掌握急倾斜煤层浅部开采时顶板的破断规律，确保水平分段综放开采时的安全生产，采用物理相似模拟实验研究急倾斜煤层浅部开采时顶板的垮落规律，通过力学建模分析顶板垮落的条件，运用3DEC对人工爆破强制放顶的效果进行了数值模拟与分析。研究结果表明：浅部开采时急倾斜煤层的顶板不易垮落，容易出现大面积悬顶现象。工作面上方覆岩大面积垮落，产生冲击矿压，危害工作面安全生产；而在第一分段、第二分段回采过程中采用强制放顶的措施可以有效削减顶板的势能，顶板垮落后形成的覆浮矸垫层也可以保证急倾斜煤层下分段的生产安全。

[关键词]急倾斜煤层；浅部开采；水平分段；顶板

[中图分类号]TD325[文献标识码]A

[收稿日期]2014-05-20

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.025

[作者简介]索永录(1960-)，男，陕西宝鸡人，教授，博士生导师，主要从事综采放顶煤和系统工程等方面的研究工作。

Roof Breakage and Disaster Principle and Control of Shallow

Mining in Steeply-inclined Coal-seam

SUO Yong-lu, QI Xiao-hu, LIU Jian-du, XIAO Jiang

(Energy School, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an 710054 , China)

Abstract:In order to obtain the roof breakage rule of mining shallow steeply-inclined coal-seam with horizontal slicing mining and ensure safety, applying physical analogue experiment to researching roof caving rule, roof caving condition was analyzed by mechanics model.Numerical simulation was used to simulate the effect of blasting roof with 3DEC.Result showed that roof was difficult to cave in shallow mining steeply-inclined coal-seam and roof hanging was easy to occur.large area of roof caving could result into rock-burst.By forced caving in mining the first and second slice, roof potential energy could be effectively reduced, and caved gangue could aslo ensure safety of mining lower slices.

Keywords:steeply-inclined coal-seam; shallow mining; horizontal slicing mining; roof

[引用格式]索永录，祁小虎，刘建都，等.急倾斜煤层浅部开采顶板破断致灾原理与控制[J].煤矿开采，2015，20(1)：86-88，81.

急倾斜煤层回采期间顶板岩层的破断对矿山压力有直接影响。王明立等研究认为急斜煤层开采时岩层分楔形破坏区、滑移变形区两个非均衡破坏区。邢望等研究认为急斜工作面基本顶变形的最大弯曲点位置基本保持在距工作面上端头约1/4 至1/3 长度处。屠洪盛等研究认为急倾斜工作面初次开采时中上部顶板可能出现“U”字型破断，自下而上扩展。邵小平等研究了急斜煤层大采高开采条件下，工作面沿走向矿压显现规律，得出周期来压步距在21～26m左右。周清龙等通过研究认为急倾斜煤层开采过程中顶板中部最容易产生弯曲破断，顶板破断后呈人字型。曹树刚等研究认为：急斜煤层工作面顶板压力上部最大,下部次之,中部最小。张嘉凡等研究认为顶板厚度大于4m可作为急斜煤层上覆岩层关键层的几何特征。高召宁等研究认为当煤层倾角大于65°，且分段高度小于30m 时, 顶煤冒落不稳定平衡拱的周期性失稳使其不断向上位发展, 形成了工作面的来压。鞠文君等研究认为急斜煤层工作面顶板悬臂梁所积聚的能量与其载荷的2次方成正比, 与其长度的5次方成正比。本文在相似模拟的基础上，通过力学建模分析急倾斜煤层顶板垮落条件及过程，提出控制顶板措施，通过数值模拟验证了控制措施有效性，为安全生产提供保障。

1工作面及顶板概况

明鑫煤炭公司的生产矿井目前正在开采基本合为一体的C2+3+4+5+6煤层，煤层总厚度达到26.5m。采煤工作面走向长1000m，倾向长32m，工作面回风平巷沿C4+6煤层顶板布置，运输平巷沿C2+3煤层底板布置。根据巷道已经揭露的煤层实测结果，合并层的下分层为C2+3煤层，厚度8.5～11.7m，平均8.7m；上分层为C4+6煤层，厚度11.2～16.6m，平均12m。上述煤层厚度均自西向东逐渐变薄。C3,C4煤层的间距为2～4.5m，由西向东逐渐增大，平均2.6m，煤层倾角58～72°。煤层节理较为发育，含有层状的构造，煤质为性脆中硬易膨胀。揭露处煤层的断口多为参差状，仅局部比较平整或出现贝壳状形态。C6煤层直接顶板为含植物化石碎片比较松软的黑色层状结构的炭质泥岩，厚度1.78m；C2煤层直接底板为厚度4.65m的深灰色厚层状结构的泥岩。

2相似模拟实验

实验模拟工作面上部无隔离煤柱的情况，实验比例1∶200，模型长和高均为1.2m，煤层倾角取65°,实验全景见图1(a)。开采第一分段，采高20m，如图1(b)所示顶板没有垮落和离层现象。开采第二分段，采高20m，6m厚直接顶垮落，如图1(c)所示，在下分段上方形成了约6m厚的垫层，此次垮落对下分段工作面具有一定的冲击性；此水平采完，基本顶空顶40m未垮落，证明依靠基本顶的自重力将无法使其垮落。开采第三分段，采高20m，采空区矸石向下移动，此分段的2m厚直接顶断裂未垮落，见图1(d)。开采第四分段，采高20m，如图1(e)所示，直接顶、基本顶都发生断裂和垮落，此时工作面上方仅有6m厚的垫层，而顶板垮落总厚度为24m，长度约66.21m，垮落顶板的中心距工作面约30m，故此次垮落对工作面的冲击力极大，工作面走向方向近采空区侧也会受到顶板垮落引起的气体冲击[10]。

急倾斜煤层浅部开采时，顶板在自重条件下极

图1　顶板垮落过程

难垮落，无法形成有效的覆浮矸垫层。随着悬露面积的增大，顶板岩层在自重及上覆岩层的作用下将发生离层和拉伸变形，与周围岩体间产生大量裂隙和节理，当裂隙和节理发育充分，失去束缚，块体就会垮落下来。顶板大面积垮落会对工作面造成冲击矿压。为了保护工作面的生产安全，必须在第一、二分段进行人工爆破强制放顶，并且保证顶板垮落形成足够厚度的垫层，在下分段开采时，可以有效缓冲顶板自然垮落引起的冲击应力，保证后续阶段的生产安全。

3理论分析计算

对明鑫煤矿急倾斜煤层顶板建模以分析其顶板的垮落步距与开采深度的关系。在下述分析中，对地质条件进行适当简化，同时用密度等参数协调模型，使模型尽可能接近实际地质情况。对所分析岩层的密度取为细粒砂岩的密度，此密度为上覆岩层最大密度，而岩层破坏强度取最小值。取沿岩层走向长度b，岩层厚度a，设所分析岩层在悬露高度达到h时垮落。顶板拉伸破坏示意如图2所示。

图2　顶板拉伸破坏示意

由岩体力学极限强度理论可知，Rm<σc<σbc，即岩石的抗拉强度小于抗剪强度和抗压强度。由此可知，急倾斜煤层顶板在破坏时将沿岩层法线方向运动，在岩层深h处首先拉伸破坏，岩层块体绕破坏面下边缘旋转一定角度，然后整体垮落下来。计算h的大小。

岩体自重力所引起的弯矩为：

(1)

造成岩体拉伸破坏所需的弯矩为：

(2)

由上述两式得：

(3)

由式(3)可知，岩层倾角越大，抗拉强度值越大，密度越小，急倾斜煤层顶板越难自然垮落。

4数值模拟

4.1　模型基本参数

采用数值模拟软件3DEC对强制放顶的方案进行论证，以检验在第一、二分段进行人工爆破，在下分段开采时顶板能否垮落并形成有效的垫层以及顶板垮落对工作面的冲击力大小。在建模时依据实际尺寸取煤矿地层的一部分，模型大小为85m×60m×90m，其中煤层、直接顶和底板厚度均取平均值，煤层倾角取65°。划分网格时细化直接顶、煤层和底板，采用1m×1m×1m划分；其余部位采用2m×2m×2m划分。

模型除了顶部外，全部采用固支，限制其水平和竖直向下的位移。

模拟所选取的主要力学参数如表1所示。

表1　煤岩力学参数

4.2　模拟计算方案

模拟开采时依据实际生产情况，分步进行开采，同时检测下分段采煤工作面在强制放顶时的受力情况。第一步，开挖第一分段，计算机运行直至底板完全垮落下来；第二步开挖第二分段，计算机同样运行直至底板完全垮落下来；第三步，开挖第三分段同时检测顶板垮落对工作面的冲击应力，计算机运行8万时步；第四步，开挖第四分段同时检测顶板垮落对工作面的冲击应力，计算机运行14万时步。

4.3　模拟结果分析

通过监测强制放顶后开采下分段时工作面受到的应力变化情况，如图3，图4所示。

图4(a)，图4(b)为开采第三分段时工作面上方应力曲线；图4(c)，图4(d)为开采第四分段时工作面上方应力曲线图。

图4(a)测点位置在1600m水平标高，距煤层顶板7m处，图中所示应力波动范围为-11.34～0.06MPa，大部分集中在-8.13～-1.75MPa。图4(b)测点位置在1600m水平标高，距煤层底板7m处，图中所示应力波动范围为-9.18～3.89MPa，[11]大部分集中在-5.32～0.28MPa。这表明由于强制[11]

图3　强制放顶示意

图4　工作面应力曲线

放顶后形成了有效的覆浮矸垫层，工作面受到的应力整体位于合理区间内；在开采第三分段过程中，工作面近底板侧受到的冲击应力整体小于近顶板侧的应力。

图4(c)测点位置在1580m水平标高，距煤层顶板7m处，图中所示应力波动范围为-8.21～1.03MPa，大部分集中在-5.83～-0.21MPa。图4(d)测点位置在1580m水平标高，距煤层底板5m处，图中所示应力波动范围为-7.53～1.51MPa，大部分集中在-3.21～1.47 MPa。第四分段开采时，工作面受到的应力特征与第三分段相似，近顶板侧受到的应力明显大于近底板侧。

综合分析上述应力图，得知经第一、二分段强制放顶后，在下分段回采过程中，工作面近底板侧受到的应力小于近顶板侧受到的应力；在第四分段回采过程中，工作面受到的应力整体小于第三分段，这表明第一、二分段的强制放顶措施是有效的。

5结论

(1)在急倾斜煤层浅部开采过程中，煤层顶板依靠自重很难垮落，极易出现大面积悬顶现象。破断顶板的尺寸具有规律性，只有沿走向方向和倾向方向的距离满足一定条件，顶板才会从中部发生离层、破断和垮落；且顶板岩层的赋存角度越大，顶板就越难垮落。

(2)直接顶在自重作用下垮落形成的覆浮矸垫层太薄，无法缓冲其上顶板大面积垮落引起的应力冲击和气体冲击。为保证生产安全，必须在第一、二分段进行强制放顶，保证足够体积的顶板垮落，形成足够厚度的覆浮矸垫层。

(3)在急倾斜煤层回采期间，工作面近底板侧受到的应力整体小于近顶板侧的应力。强制放顶措施可以有效减小工作面周期来压的大小。

[参考文献]

[1]王明立，张玉卓，张华兴.急斜煤层开采覆岩非均衡破坏机理分析.采矿与安全工程学报，2010，27(4)：558-564.

[2]邢望，张艳伟.急倾斜工作面顶板变形特征及其影响因素分析.煤矿安全，2013，44(1)：189-192.

[3]屠洪盛，屠世浩，陈芳，等.基于薄板理论的急倾斜工作面顶板初次变形破断特征研究.采矿与安全工程学报，2014，31(1)：49-54，59.

[4]邵小平.急斜煤层水平分段放顶煤开采围岩结构及其控制研究.西安：西安科技大学，2005.

[5]周清龙，刘大鹏，赵阳升，等.急倾斜煤层顶板破坏特征相似模拟.煤矿安全，2014，45(1)：26-28.

[6]曹树刚，刘玉成，彭勇，等.急斜煤层走向长壁综采面顶板控制.采矿与安全工程学报，2009，26(4).

[7]张嘉凡，石平五，张慧梅.急斜煤层初次破断后基本顶稳定性分析.煤炭学报，2009，34(9)：1160-1164.

[8]高召宁，石平五.急斜特厚煤层水平分段放顶煤安全开采的研究.矿山压力与顶板管理，2005(1)：18-20.

[9]鞠文君，李文洲.急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型.煤炭学报，2008，33(6)：606-608.

[10]肖江，王金安，索永录.急斜煤层浅部矿震机理及防治.辽宁工程技术大学学报，2010，29(1)：13-16.

[责任编辑：潘俊锋]

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