坚硬特厚煤层工作面覆岩运动规律分析

郭成英

(山西煤炭运销集团 朔州有限公司，山西 朔州 036000)

·试验研究·

坚硬特厚煤层工作面覆岩运动规律分析

郭成英

(山西煤炭运销集团 朔州有限公司，山西 朔州 036000)

针对某矿坚硬特厚煤层复杂地质条件，运用矿压理论、数值模拟方法对其工作面坚硬特厚煤层上覆岩层运动规律进行研究和分析，得到了在坚硬特厚煤层的条件下上覆岩层运动规律变化与工作面推进步距的关系，即随着工作面推进步距的增加，支承压力、传递岩梁、破断拱的高度都会相应地增大，但最终趋于稳定，这一研究结论对于坚硬特厚煤层条件下工作面的安全生产和支护设计都有一定的指导意义。

坚硬特厚煤层;数值模拟;综放开采;覆岩运动规律;矿压观测

20世纪80年代之前，我国厚煤层的正规采煤方法多采用分层开采，对于厚度小于5 m的厚煤层采用一次采全高开采技术。20世纪90年代，煤炭的综合开采技术取得了较大的发展，在复杂的煤层赋存状况下一种新的开采技术—综采放顶煤技术得到广泛的应用，而且取得了可观的经济效益。实践证明，放顶煤技术不仅是特厚煤层的最佳开采方法，也是特厚煤层建设安全高效矿井的有效技术途径之一。综采放顶煤时，矿山压力的显现往往明显区别于传统的开采方法。目前，针对煤矿特厚煤层综采放顶煤工作面(以下简称综放工作面)矿压显现规律的研究还较少。本文采用矿压理论、数值模拟方法对某工作面坚硬特厚煤层上覆岩层运动规律进行分析和研究，具有一定的理论价值和现实意义。

煤矿坚硬特厚煤层开采的顶板控制是世界性难题之一。针对某矿综采工作面为坚硬特厚煤层，采高大，垮落形成的垫层很薄，甚至无垫层，上覆岩层垮落时运动空间高度大，多次发生大面积来压现象，致使液压支架压架和捂面，研究在工作面推进的过程中，坚硬特厚煤层上覆岩层的运动规律，可为类似矿井和工作面的安全开采提供理论依据。

1 煤层赋存条件

某矿工作面煤层倾角6°～10°，平均8°，煤层厚度9.8 ～11.0 m，平均10.4 m，属特厚稳定缓倾斜煤层;伪顶厚度为0.3～0.5 m，由炭质泥岩、泥岩互层组成，破碎，较软，容易冒落;直接顶为厚度3～5 m的泥岩、页岩、粉砂岩，层理发育，较易垮落;老顶厚度12～17 m，砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石，常在采空区上方悬露一段时间后才会大面积垮落;直接底厚度0.5 m，为灰黑色砂质泥岩层理发育，较硬;老底厚度4 m，为灰白色细砂岩;粉砂岩，层理发育，致密坚硬，见表1。

2 模型设计及实验过程

2.1 数值模拟模型

模型走向长200 m，倾斜长230 m，高度120 m，煤层厚度10.4 m。模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量。数值模拟模型见图1。

工作面长度为200 m，切眼高4 m，宽5 m。工作面控顶距为5.0 m，采用全部垮落法管理顶板。

表1 模拟开采煤层顶底板围岩的主要参数

图1 数值模拟模型图

2.2 实验过程

在模型右侧距离边界200 m处开挖切眼，切眼参数为5 m×4 m。井下工作按照三八工作制，两个半班割煤，半个班检修，每刀割煤时间约为1.3 h，每刀进尺0.8 m，则每个班割煤6刀，每天割煤15刀，合计每天推进度12 m。随着工作面向前推进，观察开采中的典型现象。

3 实验结果分析

特厚煤层开采过程中模拟围岩应力分布云图，见图2。

围岩内的最大应力为垂直应力，从图2可以看出，在推进20 m后，围岩内的垂直应力快速升高，在顶煤初次垮落后，围岩内的应力增加趋势有所减缓，以后每次顶煤垮落围岩内垂直应力均有所放缓，在推进70 m后逐渐达到相对平衡状态。

图2 模拟开采过程中围岩应力分布云图

数值模拟的围岩变形情况反映了工作面矿压显现的剧烈程度，从模拟结果分析可知，在从开切眼推进到30 m以后，矿压显现开始逐渐剧烈，见图3。

图3 工作面垂直应力随模拟开采推进变化

4 结论

通过对某矿特厚煤层综放开采过程的数值模拟，可以得出如下结论:

1)由于开采初始阶段，没有进行顶煤的冒放和回收，所以顶板的初次来压步距增加，但工作面的初次来压表现为顶煤的来压，强度较低，煤层厚度增加后，顶煤的来压可能会多次发生。

2)顶板的大范围高强度来压发生在开始放顶煤以后，且在基本顶初次来压后，趋于平缓。

3)随工作面的推进，工作面出现顶板来压和顶煤来压的两种压力，并且工作面观测的强度较高的情况，出现在顶板来压和顶煤的来压相互叠加的条件下。

Analysis on Srata Motion Law of Hard Thick Coal Seam Working Face

Guo Cheng－ying

Based on the complex geological condition of hard thick coal seam in a mine，by using mine pressure theory and numerical simulation method，studies and analyzes overlying strata movement rule in the working face of hard thick coal seam，have obtained the relationship of overlying strata movement rule change and advance step distance of the face under the condition of the hard thick coal seam，namely with increasing of the advance step distance of the face，the bearing pressure，the transfer rock beam and the height of breaking arch will be corresponding increase，but eventually tend to be stable.The research conclusion for the condition of hard thick coal seam，production safety and supporting design of the working face has certain guiding significance.

Hard thick coal seam;Numerical simulation;Fully mechanized top－coal caving;Strata movement law;Mine pressure observation

TD32

A

1672－0652(2012)10－0030－03

2012－09－13

郭成英(1960—)，男，山西怀仁人，1999年毕业于东北大学，工程师，主要从事煤矿生产安全管理工作(E －mail)ying760313@163.com