曹广远，伍庆风，曹品伟 (河南神火煤电有限公司泉店煤矿，河南 许昌 461000)

大采高综采工作面覆岩活动规律研究

曹广远，伍庆风，曹品伟
(河南神火煤电有限公司泉店煤矿，河南 许昌 461000)

相对于普通综采工作面，大采高综采工作面回采空间大，上覆岩层运动范围也相应较大。为了得到泉店煤矿大采高综采工作面上覆岩层的活动规律，采用理论分析与数值模拟计算的方法，分析工作面回采后顶板的位移量、垮落状态、塑性区分布规律以及工作面超前支承压力的分布规律。

大采高综采工作面； 覆岩活动； 分布规律

1 工作面老顶初次来压步距计算

一般情况下，工作面老顶上方的岩层由多层岩层组成。因此，老顶岩层的极限跨距所需考虑载荷的大小，应根据各层之间的相互影响来确定。采动覆岩中的任一岩层所受的载荷除自重外，一般还受上覆邻近岩层的相互作用产生的载荷。为了简化问题，假设岩层载荷为均匀分布[1]。

由前人研究成果可知，应采用弯矩形成的极限跨距作为老顶的初次来压步距；并根据泉店煤矿8号煤层的埋藏深度及边界条件，确定按照固支梁计算老顶极限跨距，即初次来压步距Lf为：

(1)

式中：RT——老顶的抗拉强度，取3.15MPa；

q——第一层顶板所受的载荷，取750.71kPa。

代入数据可得：Lf=40.27m。

老顶的周期来压步距按照老顶的悬臂式折断确定。周期来压步距为：

(2)

代入数据可得：Lz=12.25m。

2 顶板活动规律的数值模拟研究

为了掌握泉店煤矿大采高综采工作面上覆岩层的活动规律，应分析工作面回采期间顶板的垮落情况、塑性区分布情况以及工作面前后支承压力的分布状态。根据14050工作面具体的地质情况，采用通用离散元(Universal Distinct Element Code，UDEC)二维离散元数值模拟软件，模拟工作面回采期间顶板的垮落状态、顶底板移近量、顶板压力及超前支承压力分布规律和工作面塑性区的分布特征。

2.1 数值模型的建立

根据泉店煤矿14050大采高综采工作面地质条件和生产技术条件，并参考大采高综采工作面覆岩活动的力学模型，建立沿煤层走向的数值模拟模型，如图1所示。根据1 4050工作面柱状图，确定模型的高度为50m；为了提高运算速度，模拟工作面推进60m，并考虑边界效应，在模型两侧各留设20m的煤柱，模型总宽度为105m。

图1 数值模型

在不影响数值模拟结果的前提下，为了简化模拟，对工作面上覆岩层做合理修正。修正后的岩层厚度、各岩层内块体的大小和节理的划分方式见表1，工作面顶底板为模型的研究重点，单元格划分较细[2]。

表1 模型内岩层岩性及节理划分

数值模型中的变形块体采用摩尔—库伦(M- C准则)的本构模型节理材料的本构模型采用节理面接触—库伦滑移。模型中各岩层和煤层的物理力学性质是在实验室测定的基础上确定的，具体力学参数见表2和表3。

表2 煤岩层力学参数

根据工作面的实际赋存条件，本计算模型的边界条件如下。

(1)上部边界条件。此条件为应力边界，与工作面的埋深(h)有关。为了方便研究，将上边界的载荷分布形式简化为均布载荷，容重γ取25kN/m3，即：

q=∑γh=25 000×241.5×10-6=6.037 5MPa

(2)下部边界条件。由于工作面下部边界为底板，模型下部边界条件简化为位移边界条件，在y方向为固定—铰支座，即yvel=0。

表3 煤岩层节理面力学参数

(3)两侧边界条件。工作面前后两侧均为实体煤岩体，所以模型的两侧边界条件同样简化为位移边界条件，x方向为固定—铰支座，即xvel=0。

2.2 模拟方案

根据14050综采工作面生产实际(工作面每天完成12个生产循环，共推进9.6m，取10m)及UDEC模型的特点，确定开挖步距为5m，共推进60m(每次开挖后不使用solve命令，而使用step命令)。模拟方案流程如图2所示。

图2 模拟方案流程

2.3 工作面顶板破断规律

图3为模型回采不同距离时，工作面上覆顶板垮落状态。

由图3可知，当工作回采30m时，工作面直接顶发生初次垮落；随工作面继续推进，直接顶随采随垮。当工作面推进45m时，工作面老顶发生初次断裂，随工作面继续回采，工作面老顶发生周期性的破断，老顶的周期来压步距为15m；从老顶岩层初次破断到模型开挖完成，工作面老顶岩层均能形成砌体梁结构[3]。

在模型开挖时，在直接岩层中、老顶岩层中以及最上部岩层中布置3条测线，图4为随工作面推进3条测线的垂直位移图。由图4可知，最上部岩层的垂直位移曲线与老顶岩层的基本重合，说明老顶上方岩层随老顶的运动而运动，当工作面推进60m和65m时，老顶及上覆岩层的活动趋于稳定，老顶和上覆岩层的垂直位移也达到最大值。

图3 随工作面推进上覆岩层的垮落状态

图4 随工作面推进工作面上覆岩层垂直位移变化曲线图

当工作面上方14m厚的中粗粒砂岩破断时，其上覆岩层产生整体运动，说明14m厚的中粗粒砂岩对工作面上覆岩层的运动起主要的控制作用，为工作面的关键层。

2.4 超前支承压力分布规律

图5为工作面超前支承压力变化曲线图，图6为受支承压力剧烈影响段长度随工作面回采的关系图。由图5和图6可知，工作面顶板超前支承压力影响范围约为45～50m，受支承压力剧烈影响段长度最小距离为4.34m，最大长度为22.78m，平均为17.11m。

图5 工作面超前支承压力分布图

图6 支承压力剧烈影响段距离变化图

在图6中，工作面回采50m时，采空区出现高应力值点，支承压力剧烈影响段长度出现起伏，这是因为当工作面回采时，采空区垮落岩层逐步压实，工作面上覆岩层压力逐渐向采空区转移[4]。

3 结论

根据泉店煤矿大采高综采工作面的生产地质条件，采用理论分析和数值计算分析研究了泉店煤矿大采高综采工作面上覆岩层的活动规律。

(1)泉店煤矿大采高综采工作面直接顶的初次垮落步距约为20m，随工作面继续回采，直接顶随采随垮。

(2)根据理论分析和数值模拟计算可知，泉店煤矿大采高综采工作面老顶初次来压步距约为35～40m，老顶破断时可形成明显的砌体梁结构[5]；老顶周期来压步距为约为10～12m。上覆岩层中14m厚的中粗粒砂岩对其他岩层的运动起主导的控制作用，为14050工作面的关键层。

(3)随着工作面的推进，工作面煤壁前方的塑性区尺寸逐渐增大，并呈明显的线性关系；当工作面推进距离小于40m时，超前工作面的顶板塑性区随推进呈线性增大；当工作面推进距离大于40m时，超前工作面的顶板塑性区范围保持不变，约为15m。

(4)超前支承压力影响的范围约为45～50m，受支承压力剧烈影响段长度平均为17.11m；超前支承压力峰值最大为17.50MPa，最小为10.36MPa，平均值为14.96MPa；应力集中系数最大为2.19，最小为1.30，平均值为1.87；峰值点位于工作面前方3m处。

[1] 陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[2] 弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究[D].太原：太原理工大学,2006.

[3] 胡国伟.大采高综采工作面矿压显现特征及控制研究[D].太原：太原理工大学,2006.

[4] 袁文峰.大采高工作面初次来压的模拟与研究[D].太原：太原理工大学,2010.

[5] 弓培林,靳钟铭.大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J].煤炭学报,2004，(1)：7-11.

Study on the overburden activity law of fully mechanized coal face with large mining height

Compared with the general fully mechanized coal mining face, the mining space of fully mechanized coal face with large mining height is large and the movement range of overlying strata is correspondingly larger. In order to obtain the activity law of overburden in fully mechanized mining face of Quandian Coal Mine, the theoretical analysis and numerical simulation method was used to analyze the displacement, collapse state, plastic zone distribution law and the distribution law of advance bearing pressure in working face.

fully mechanized coal face with large mining height; overburden activity; distribution law

TD823.4+94

A

曹广远(1970-)，男，河南永城人，高级工程师，现任河南神火集团兴隆矿业公司总经理，主要从事采煤技术及生产管理工作。