超前工作面区域复合顶板应力分布规律研究

2021-11-16裴春敏

煤矿现代化 2021年6期

裴春敏

（山煤国际能源集团股份有限公司煤业分公司，山西太原 030006）

0 引言

工作面长度是衡量工作面生产能力的一项重要指标，在具体的地质条件下，若工作面长度越大，其生产能力及效率就会越高。然而因工作面地质赋存以及机电设备配套情况所限，在工作面长度增大后，超前工作面区域顶板矿压显现也会更为显著，易引起滚帮、片帮等情况，影响到工作面的安全生产。鹿台山煤业已回采的2202工作面长度为160 m，为有效提高工作面生产能力及效率，决定将其相邻2203工作面长度在2202工作面长度的基础上有所增加。因此，本文对超前工作面区域复合顶板应力分布规律进行研究，并通过理论计算得出2203工作面所能布置的最大工作面长度，为后续确定工作面合理长度提供理论依据。

1 工作面概况

鹿台山煤业位于山西省晋城市沁水县张村乡一带，批采2号、15号煤层，东西宽1.5～2.0 km，南北长2.6 km，面积4.7 km2，产能0.6 Mt/a。矿井采用斜井开拓方式，共布置有3个井筒，属高瓦斯矿井，地质构造属复杂型，水文地质属中等型。

目前矿井正在回采2202综采工作面，2203综采工作面正在进行巷道布置及掘进，是2202工作面的接替工作面。2203综采工作面位置如图1所示。

图1 2203综采工作面位置示意图

2203综采工作面所开采2号煤层厚度范围为1.35～3.20 m，平均2.20 m；倾角为3°～12°，平均5°。运输顺槽断面为8.64 m2，回风顺槽断面为8.16 m2。采用综合机械化开采工艺，全部垮落法管理顶板，倾向长度1 252 m。工作面顶底板情况见表1。

表1 2203工作面顶底板情况

2 工作面顶板板状受力分析

根据2203工作面顶底板及顶板以上岩层情况可知，2号煤层直接顶底板为坚硬岩层与软弱岩层互层，软弱结构层面发育，并且顶板以上岩层有弱富水性含水层，对边坡稳定性具有一定的影响，整体顶板易于管理，底板泥岩容易遇水膨胀，因此在现场掘进和生产过程中要强化顶底板支护和管理。

2.1 2203工作面顶板分层载荷

基于2203轨道顺槽顶板地质条件，确定顶板各分层所受载荷情况。在工作面回采前，其超前区域巷道顶板将会由两侧实体煤所支承，此时其顶板可处于完整的符合层状结构，因此可将该巷道顶板作为四边固支的薄板结构作为研究对象。设各薄板所受载荷为，坐标系为将各分层底部左前端作为远点，x轴、y轴分别为与巷宽、巷长相平行的方向，z轴为与顶板相垂直的方向。所建立的2203工作面力学模型如图2所示。

图2 2203工作面力学模型示意图

根据矿山压力原理得出2203轨道顺槽复合顶板第n层对第i层的载荷作用的表达式为：

式中：i和n为第几分层，1、2、3……；γi为各分层的体积力，MN/m3；Ei为各分层的弹性模量，G P a；hi为各分层的顶板厚度，m。

根据薄板理论的相关应力方程推导，可以得出各分层薄板的相关应力方程的表达式为：

式中：qi为上覆岩层载荷大小，MPa，μ为板的泊松比；h为薄板厚度，m。

通过建立上述超前工作面区域复合顶板的力学薄板模型，依据矿压与顶板控制理论，对复合顶板的弯曲变形和受力情况进行综合分析，可以得出：各个薄板内挠度以及应力分布规律都是相同的。在复合顶板当中，上覆岩层对顶板的载荷作用是其发生弯曲下沉的主要原因，并且越靠近各层岩层的中心位置，其挠曲数值越大。此外，顶板越往上的岩层其相应的最大应力会逐渐减小。综上分析，复合顶板的主要破坏形式为拉伸破坏。

2.2 2203超前工作面顶板应力分布规律

根据以上的力学分析过程，通过Anaconda力学分析软件对工作面顶板上覆岩层逐层进行分析研究超前工作面区域复合顶板的受力特征。

1）各分层挠曲及应力分布特征。取z=h/2，各分层挠曲及应力分布特征如图3所示。

图3 各分层挠曲及应力分布特征

对图3进行分析可以得出：顶板各层岩层在载荷影响下，顶板5个分层挠曲分布均出现中心对称的现象，其挠曲从四边到中心逐渐增大，并且各层挠曲最大值均位于薄板的中心位置处，巷道顶板由下往上（即由第1层至第5层）的其挠曲逐渐减小，其中第1、5层的挠曲分别为50、2.5 mm，因此其顶板最先由具有自由面的第1层岩层出现变形且相较于向上的其他岩层的变形更大，第5层岩层变形基本很小，可以保持稳定状态。

2）各分层水平应力σx分布特征。各分层水平应力σx分布特征如图4所示。

对图4进行分析可以得出：顶板各层岩层在载荷影响下，x轴方向上5个分层水平应力分布均出现中心对称的现象，并且水平应力在巷道长度方向上出现首先增大而后减小的变化情况，顶板两侧中心处具有最大水平应力。在各层岩层当中，离越中心越近其水平应力也越小，直至到第5层岩层处最大水平应力减小到2.0 MPa左右。第1层薄板所受最大水平应力大于2.0 MPa处要出现垮落现象，依次层层递进，直到所受的最大水平应力小于2.0 MPa时，岩层可以处于稳定。

图4 各分层水平应力σx分布特征图

3）各分层水平应力σy分布特征。各分层水平应力σy分布特征如图5所示。

图5 各分层水平应力σy分布特征图

对图5进行分析可以得出：顶板各层岩层在载荷影响下，y轴方向上5个分层水平应力的分布规律与x轴上的分布规律基本相同，结合x轴和y轴上的分层水平应力分布规律，可以得出复合顶板岩层主要是因拉伸破坏而发生变形垮落的。

3 工作面最大长度

通过矿压监测数据显示，与2203工作面相邻的2202工作面在初采期间有如下矿压显现情况：工作面推采进度为7 m时，工作面中部支架顶板出现冒落矸石较多等显著来压状况；工作面推采进度为10 m时，顶板开始全部垮落；工作面推采进度为22 m时，直接顶全部垮落，最大强度42.35 MPa；工作面推采进度为48 m时，顶板全部垮落，最大强度40.45 MPa。2202工作面在顶板煤业来压时的强度为29.7～31.4 MPa，约为30 MPa，而老顶来压时的最大强度为42.35 MPa，即动压系数约为1.41。

按照普氏理论及工作面支架工作阻力，2203工作面最大长度可由下式进行计算：

式中：f为顶板岩石普氏系数，根据临近的2202工作面顶板岩石力学参数，平均值取3.69；Pd为静压，根据工作面矿压监测动压系数1.41，其对应的最大静压为3 404.3 kN；g为重力加速度，取10 m/s2；γ1为顶板岩石密度，取2.5×104 kg/m3；Lz为支架顶梁长度，取3.8 m；bz为支架顶梁宽度，取1.43 m。将上述各项参数代入公式3中进行计算可以得出：根据工作面顶板实际地质情况，2203工作面最大长度约为185m，与原先2202工作面长度160m相比较，可以增长25m。