荆宝煤矿坚硬顶板初次来压步距规律

柴 岩



荆宝煤矿坚硬顶板初次来压步距规律

柴 岩

(长治三元中能煤业有限公司，山西 长治市 046600)

采场坚硬顶板发生事故概率较大，易压垮支架，造成冲击地压现象。晋能集团荆宝煤矿顶板坚硬，难以随工作面的推进及时垮落，出现大面积悬顶。在理论分析和数值模拟基础上，对该煤层不同厚度顶板初次来压步距进行研究，得出老顶的初次来压步距随着老顶岩层厚度的增加而增大的结论。

坚硬顶板；初次来压步距；岩层厚度

晋能集团荆宝煤矿位于长治市襄垣县，现开采10号煤层，平均煤厚1.75 m，埋深240 m，100101工作面走向长度570 m，切眼长度为150 m，近水平煤层。顶板为石灰岩，硬度大、完整性好；工作面采用后退式走向长壁采煤法综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板。

1 关键层失稳特征分析

随着工作面的推进，直接顶破断失稳，随后老顶悬露，悬露面积不断增大，当达到极限垮距时，老顶也破断跨落。荆宝煤矿10号煤层平均煤厚1.75 m，老顶初次破断后形成三铰拱式结构[1-5]，如图1所示。

图1 老顶拱式结构

图1中的A、B和C 3个点为拱式结构的3个铰点，且C点位于AB两点的上方，为围岩对老顶的水平作用力，为岩层自重，A和B为摩擦力，为结构长度，为变形量，为厚度，为挤压接触面高度。当拱式结构达到平衡时，满足

−−＞0 (1)

同时满足

=sin+cos−sin2(2)

式中，为老顶回转角，可用以下公式计算：

将式(4)代入式(1)可得：

＞1.5(5)

当岩块厚度大于挤压接触面高度的1.5倍时，破断老顶可形成平衡的拱式结构。的最大值由采高和直接顶厚度计算得出：

max=−(p−1) (6)

式中，为煤层开采高度；为采场顶板垮落带高度；P为岩体的碎胀系数，取1.3。

经计算采场冒落带高度为6.8 m。

2 数值模拟

2.1 建立模型

以荆宝煤矿100101工作面为依据，建立UDEC数值计算模型，模拟工作面走向长度100 m，埋深300 m，模型高度136 m，煤体单元尺寸为0.5 m×1 m，石灰岩单元尺寸为1 m×1 m，各岩层单元块体的尺寸随着层位的增加而增大。由于顶板的石灰岩厚度为6~8 m，为了探究不同厚度老顶的初次来压步距规律，对6 m和8 m的老顶分别进行研究。

2.2 6 m老顶初次来压模拟结果分析

图2为工作面推进26 m时采场上覆岩层变形云图，由图2可知岩层最大变形量为1.1 m，位于工作面中部，从中部到端头覆岩变形减缓，老顶形成弯曲向下的拱状结构，而且发生明显的离层现象。

图3为工作面推进距离27 m时采场上覆岩层变形云图，由图3可知破断失稳的老顶岩层发生大范围的垮落，垮落高度为6 m，老顶初次来压。由此判断6 m老顶初次来压步距为27 m。

图2 工作面推进26 m时上覆岩层变形云图

图3 工作面推进27 m时上覆岩层变形云图

2.3 8 m老顶初次来压模拟结果分析

图4为工作面推进29 m时的采场上覆岩层变形云图，由图4可知高层位老顶岩层的变形量大，离层高度也达到了4 m，工作面中部变形量大，从中部到端头覆岩变形减缓，老顶形成弯曲向下的拱状结构。

图4 工作面推进29 m时上覆岩层变形云图

图5为工作面推进30 m时的采场上覆岩层变形云图，由图5可知破断失稳的老顶岩层发生大范围的垮落，垮落高度为9 m，离层高度也达到了13 m，老顶初次来压。由此判断8 m老顶初次来压步距为30 m。

图5 工作面推进30 m时的覆岩变形云图

3 结 论

晋能集团荆宝煤矿10号煤层顶板坚硬，经数值模拟计算，采场老顶为6 m厚时，工作面初次来压步距为27 m；采场老顶为8 m厚时，工作面初次来压步距为30 m，分析可知，老顶的初次来压步距随着老顶厚度的增加而增大。

[1] 索永录,程书航,杨占国,等.坚硬石灰岩顶板破断及来压规律模拟实验研究[J].西安科技大学学报,2011,31(2):137−140.

[2] 钱鸣高,石平五,许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010.

[3] 钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995(2):97−106.

[4] 缪协兴,钱鸣高.采场围岩整体结构与砌体梁力学模型[J].矿山压力与顶板管理,1995(3−4):3−12.

[5] 宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992.

(2018−11−06)

柴 岩(1988—)，男，山西省长子县人，主要从事煤矿开采工作，Email: 632626381@qq.com。