不同采高对霍州矿区采场覆岩运移规律的影响研究

王长云 张 蓓 张华磊

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030006）

1 工程地质概况

霍州矿区辛置煤矿2#煤2-102工作面标高276～309m，平均埋深497m。工作面地表为农田耕地和沟壑，黄土覆盖平均厚度120m，基岩平均厚度335m。工作面煤层平均厚度3.81m，倾角3～8°，工作面采用倾斜长壁法进行开采。

2 不同采高对采场顶板破断规律的影响

当工作面回采长度超过顶板极限距时，顶板岩体初次垮落。由于顶板悬空，故不存在对顶板岩梁悬空段的反力，建立如图1所示的力学模型图。

图1 大采高采场顶板初次破断力学模型

在顶板未破断之前，采场顶板可看成是弹性基础梁上的弯曲，其地基反力为，p=ky根据梁的对称性，取梁的一半长l进行力学分析，微分方程为：

式中：

q-分布载荷集度，即第一层硬岩（关键层）所控制的岩层对它的作用；

EI-基本顶的抗弯刚度；

k-Winkler地基弹性系数。

带入有关边界条件和连续条件可得：

式中：

设顶板岩梁内的剪力为Q，弯矩为M，则有：

在x=-l处，即梁的中部，其弯矩为Ma，则：

当y"'=0时，弯矩最大，其位置为xβ（煤壁前方），解得：

此处弯矩Mβ为：

考虑煤层对顶板的垫层作用后，顶板初次破断极限步距可通过如下方法求得。

首先判别α，β大小，求得最大弯矩Mmax；再通过最大弯矩来判别岩梁是否破坏。

将α的表达式代入上式可得：

由上式解得l，则顶板的初次破断距为：

若α＜β，则有：

将β的表达式代入上式得：

为了研究不同采高下老顶的破断方式及破断位置，应进一步确定顶板内最大拉应力及所在位置，从而需确定Mα、Mβ和xβ。对于Mα、Mβ大小的比较，可通过比较α与β的大小，若α大，则最大弯矩位于采空区中央截面，老顶在中央截面下部拉裂；否则，最大弯矩在煤层上方一段的老顶内（坐标为xβ），老顶发生超前断裂。

为了说明采高对顶板最大弯矩及其位置的影响，现取2-106工作面围岩参数进行分析，弹性模量E1=20.59MPa，厚度取为4m，煤层弹性模量为E0=2.6MPa，L=30m。

根据前面采高变化对老顶影响的分析，可判断出2-106工作面覆岩中各岩层承载能力相当，没有明显的关键层。

由计算结果比较分析，Winkler无限梁用在采场初次来压矿压模型上，有如下结论，如表1所示。

表1 初始破断距随采高演化

由此可知：覆岩各岩层承载能力相当的情况下，随着采高的增加，顶板初次来压步距有减小的趋势，但减小幅度较小，可见采高的改变对顶板初次来压步距基本没有影响，工作面来压步距主要取决于岩层的赋存状况。

3 不同采高对采场覆岩结构与运动规律的影响

3.1 数值计算模型的建立

为了模拟分析不同采高对采场上覆岩层变形破坏及运动规律的影响，采用UDEC2D计算程序，建立如图2所示的数值计算力学模型。模型几何尺寸为 ，模型底部边界约束垂直方向运动，左右两边边界约束水平方向运动，将上覆岩层以荷载形式均匀作用于模型的上部边界，计算采用莫尔—库仑屈服准则。

图2 计算模型

建立不同采高采场数值计算模型来分析上覆岩层结构及运动规律，探求大采高采场的覆岩运动特点。工作面从左向右推进，依次推进5m，总共开挖13步，推进65m。比较分析采高分别为2m、3m、4m、5m、6m、7m时，采场上覆岩层的运动规律。在工作面上方，布置3条水平测线监测距离采空区垂直距离为 =4m，8m，14m位置处竖直位移分布情况，进而分析冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的分布。

3.2 采场覆岩运动与结构数值计算结果分析

（1）覆岩运移规律

随着工作面的推进，当距离超过顶板岩层的极限破断距时，采场顶板开始破断下沉，以工作面推进50m时为例进行分析，采场覆岩的运移状图如图3所示。

图3 不同采高采场覆岩位移云图

由图3知，工作面推进50m时，老顶初次来压已过，此时采高不同上覆岩层结构及运动表现出差别：采高为2m时，冒落带高度为4m；采高3m时，冒落带高度为6m；老顶破断后与下方已冒落直接顶接触，冒落带不再向上发育，其上方有离层发育。采高大于4m后，老顶破断后不能形成结构，其上软岩层随之向下运动，进入垮落带，冒落带高度增加。采高4m时，冒落带高度为9m；采高5m时，冒落带高度为13m；采高6m时，冒落带高度为13m；采高7m时，冒落带高度为16m。

（2）不同采高下覆岩运动与结构对比分析

冒落带高度随采高变化示意图如图4所示。

图4 冒落带高度随采高变化示意图

由图4可知，采高增大后，冒落带的高度也随之增加，导致划入直接顶范围的岩层厚度增大，且冒落带高度与采高呈现非线性关系，在拐点处的突变与上覆岩层的关键层控制作用有关。

由图5可知，从整体上而言，裂隙带的高度、离层最大值随着采高的增加而增加，主要是由于采场采高增加之后，上覆岩层回转的空间增加，运动的自由度增加，当岩层回转角度增大时，作用于下方煤体的载荷也随之增加，导致工作面矿压显现剧烈。

4 结论

本文以霍州辛置煤矿大采高工作面为工程背景，讨论了采高对采场覆岩运移特征的影响，主要得出以下结论：

（1）覆岩各岩层承载能力相当的情况下，采高改变对顶板来压步距基本没有影响，工作面来压步距主要取决于岩层的赋存状况；

（2）随着采高的增加，冒落高度增加，但并不呈线性关系，其拐点与关键层有关；裂隙带高度、离层值也随着采高的增加而增加，覆岩运动范围和剧烈程度加大。

图5 最大离层值随采高变化示意图