厚煤层综采放顶煤工作面矿压显现规律分析

摘要：为防止工作面片帮，减小工作面初次来压及周期来压对支架的冲击力，本文采用数值模拟与现场观测相结合的方式研究厚煤层综采放顶煤工作面矿压显现规律，保证了工作面回采期间安全，为相同条件下工作面期间顶板控制起一定的指导借鉴作用。为相邻矿井及相似地质条件下顶板控制提供参考依据。

关键词：放顶煤 矿压 规律

1 概述

综采工作面的向前推进，直接顶逐渐断裂、冒落，并对工作面煤壁和支架产生动压作用，煤壁产生部分变形，甚至被压碎，支承压力峰值逐渐向煤壁深部转移，工作面老顶初次来压时，老顶初次断裂，并对工作面煤壁和支架产生剧烈影响，对煤壁产生冲击，导致部分厚度的煤壁被压垮造成的。研究工作面矿压显现规律对液压支架及防止煤壁片帮有一定的作用。

2 工作面概况

31012综采工作面走向长308m，切眼长147m。该采面煤层平均厚度为7.9m左右，采用分层开采，目前开采下分层，煤层倾角平均为18°，31012综采工作面当前实际采高平均为3m。二1煤层老顶为粉砂岩，直接顶为砂质泥岩，直接底为砂质泥岩。

3 数值模拟方案及结果分析

3.1 数值模拟方案 工作面围岩（上覆岩层、底板）移动破坏、应力分布规律模拟研究。

依据31012工作面实际开采情况进行以下内容的模拟研究。

①上覆岩层垮落的特征及覆岩的移动规律、应力分布规律。②工作面开采超前支承压力的分布规律。③工作面开采底板变形规律和破坏深度，主要模拟不同工作面长度开采时底板应力场及破坏深度（塑性区）。

3.2 数值模拟模型的建立 模型左右边界宽度150m，模型上边界取至煤层顶板向上53m。将模型下边界取至巷道底板以下超过14m。上部边界条件采用应力边界条件，下部位移边界条件：可以在x方向上运动，将铰支固定在y方向上，即v=0。模型左右侧位移边界条件：在y方向上可以运动、在x方向上固定的铰支，即u=0。

3.3 确定岩石力学参数 由于没有鹤煤九矿实测的岩石力学参数值可以参考，根据相邻矿井岩石力学参数测试结果，结合该煤矿的实际岩性近似取值，其岩石力学参数如表1所示。

3.4 分析数值模拟结果 对煤炭进行开采的过程中，会对煤层上覆的岩层构成一定的破坏，造成岩层的变形，甚至冒落等。对于距离煤层较近的岩层，如果其岩性比较软并且厚度比较薄，在开采煤炭时上覆岩层首先会发生冒落，在采空区出现堆积，与上覆硬厚岩层形成自由空间。在煤壁、采空区冒落矸石以及液压支架的支撑下，上覆硬厚岩层逐渐变形、破坏、失稳。受地质条件和工艺参数的影响，上覆岩层呈现不同的运动规律。现场实际开采高度为3m。

随着工作面不断向前推进，顶板从开切眼开始出现分层、阶状冒落等特征。由于工作面下部的厚度比较小，导致岩性较软的岩层首先发生冒落。而对于厚度较大的岩层，首先会形成一种暂时的、长度小于5m的铰接结构，然后再发生冒落，在一定程度上工作面支架受到这种平衡结构断裂的直接影响。因此，工作面基本顶来压前，在直接顶上会出现一次至几次来压现象，顶板岩石的力学性质决定着来压的次数和强度。通过模拟证明，当工作面推进到10m时，冒落高度为4.4m，当工作面推进到30m时，冒落高度为7.1m，当工作面推进到42m的时候，冒落高度达到了9.8m，如图1～4所示。

当直接顶发生冒落后，岩石在采空区出现无序的堆积，在一定程度上减小了基本顶岩层的运动空间。随着直接顶的不断冒落，在其上方的厚硬岩层出现断裂，并且彼此之间互相挤压，进而构成铰接平衡结构，这种结构之间的水平挤压力随着工作面的不断前移而逐渐减小，这种平衡结构在工作面推进到30m时，发生转动失稳，进而对工作面造成基本顶来压。基本顶初次来压后，基本顶形成的铰接结构在工作面推进到42m时继续失稳，并伴随着第一次周期来压。上覆岩层随着工作面推进距离的不断增加而发生周期性冒落，采空区冒落矸石逐渐承担岩层的重量，进而压实离层。按照各自的岩层几何力学特征及受力状况，采场上覆岩层出现冒落、变形和离层。这种整体的变形以及相互间的作用力，分别以不同的形式影响到采场支承压力以及支架的受力情况。

4 工业试验效果

根据现场观测，31012工作面顶板来压比较明显，周期来压步距为9～13.8m，平均为11.7m，工作面上部、中部、下部的周期来压步距变化不大；通常情况下，周期来压持续时间在1～5个循环，平均持续时间为2.4个循环；周期来压持续4～33个小时，平均持续为13.3个小时；来压动载系数为1.54～2.02，平均为1.84，顶板来压强度是比较大。通过研究分析模拟结果，可以得出，工作面来压步距与现场观测结果基本保持一致。因此，对于大采高工作面上覆岩层冒落特征，通过采用UDEC数值模拟软件进行模拟，能够充分证明该模型的建立和参数的选择是合理的。

5 结论

①通过数值模拟及现场观测确定工作面初次来压步距为30m，周期来压步距为9～13.8m。②通过采用UDEC数值模拟软件对大采高工作面上覆岩层冒落特征进行模拟，证明本模型的建立和所取参数合理。

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作者简介：赵磊（1987-），男，河南鹤壁人，助理工程师，现任河南煤业化工集团鹤煤九矿综采队主管技术员，从事煤矿采掘管理工作。