马洪岩
徐州矿务集团张双楼煤矿 221616
摘要：为研究坚硬顶板下综采工作面采动应力演化规律及其影响因素，以张双楼煤矿74101工作面为工程背景，通过FLAC2D数值模拟研究了煤层厚度和硬度对工作面采动应力的影响规律。结果表明：坚硬顶板条件下煤岩体中的垂直应力显著高于软弱顶板条件下的，工作面推进至砂岩顶板段时，老顶周期来压步距增长，超前支承压力升高。通过采取超前切顶卸压的顶板强度弱化措施，实现了砂岩段工作面冲击地压的有效防控。
关键词：坚硬顶板；采动应力；煤层厚度；煤层硬度；冲击地压防控
中图分类号 TD821 文献标志码 A 文章编号：
0 引言
坚硬顶板断裂是诱发冲击地压发生的主要因素之一，根本原因是坚硬顶板在采空区上方易形成悬空结构，造成工作面前方形成支承压力集中区，坚硬顶板断裂时对工作面和巷道围岩产生动载扰动，在动静载叠加[1]作用下导致冲击地压显现，严重时会诱发冲击地压事故，对矿井经济效益和人员生命安全产生极大威胁。
国内相关学者和专家在坚硬顶板型冲击地压发生机制及其防控方面做出了长足的研究。谭云亮[2]等从能量积聚和释放的角度阐述了坚硬顶板型冲击地压的发生机制，并根据坚硬顶板悬顶结构断裂的前兆信息特点，提出了采用应力法、微震法、钻屑法等在线监测方案；何江[3]等通过数值模拟研究了坚硬顶板矿震作用下煤壁应力与质点振动速度的变化规律，基于此分析了顶板型冲击矿压机理和类型，并对顶板型冲击矿压实例进行了分析验证；冯龙飞[4]等针对推采速度对坚硬顶板破断释放能量的影响机制，基于弹性地基假设，建立了垮落带内顶板的三角增压载荷悬臂梁模型，得到了回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯曲弹性能密度的解析解；杨俊哲[5]等提出了坚硬顶板多点拖动式分段水力压裂的冲击防治方法，在神东布尔台煤矿得到了成功应用；郑有雷[6]等通过在现场采用坚硬顶板多层位定向割缝高压致裂技术，显著降低了坚硬顶板下开采的冲击矿压危险性。
冲击矿压的强度和破坏性主要受支承压力峰值和峰值位置的影响较为明显，峰值越大，峰值点距离工作面越近，冲击显现的频度越大、强度越高。本文以张双楼煤矿74101工作面为工程背景，采用FLAC2D数值模拟研究坚硬顶板条件下煤层厚度和硬度对工作面采动应力的影响规律。
1 数值模型建立和模拟方案
采用FLAC2D建立数值模型，模型尺寸长×高为190 m×60 m，模型两侧施加水平位移约束，底部施加垂直位移约束，共计19600个单元，模型建立完成后如图1所示。煤岩层的物理力学参数如表1所示。
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2 模拟结果分析
2.1 顶板硬度对采动应力的影响规律
图2所示为不同硬度顶板条件下实体煤侧垂直应力分布比较。可知坚硬顶板条件下煤岩体中的垂直应力显著高于软弱顶板时煤岩体中的垂直应力，软顶时煤体中最大垂直应力下降了约45%。由于冲击地压主要发生于高应力情况，因此在下面的模拟中将不再考虑软弱顶板的情况，而只模拟在坚硬顶板情况时，煤层硬度和厚度的改变对冲击地压危险性的影响。
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2.2 煤厚对采空区侧向支承压力分布的影响规律
图3所示为在硬煤、软煤中不同煤层厚度时采空区侧向支承压力分布情况。由图3可知，采空区侧向最大垂直应力与煤厚呈反比，在坚硬顶板情况下，采动影响引起的煤体中的应力集中非常明显，其最大值可达到156 MPa，最小也能达到97 MPa，应力集中系数最大为7.8~4.9。软煤情况下采空区侧向支承压力的分布与硬煤时类似，不论煤层的硬度大小如何，煤体中的垂直应力均随煤厚的增加而减小。煤体中的最大垂直应力出现在距离采空区4~6 m的范围内，此高应力区域的煤岩体受到应力扰动时，极易发生冲击地压。
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2.3 煤厚对护巷煤柱垂直应力分布的影响
图4所示为在硬煤、软煤中不同煤层厚度时护巷煤柱中的垂直应力分布情况。由图4可知，护巷煤柱中的垂直应力随着煤层厚度的增加而减小，且最大垂直应力一般出现在距采空区2.1 m~2.6 m的范围内。如煤层厚度为3 m时，煤柱中的垂直应力最大，随着煤层厚度增大，煤柱中的垂直应力逐渐减小，当煤层厚度为6 m时，垂直应力分布相对最小。
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2.4 煤厚对巷道实体煤侧垂直应力分布的影响
图5所示为在硬煤、软煤中不同煤层厚度时巷道实体煤侧垂直应力分布情况。由图5可知，巷道实体煤侧的垂直应力随煤厚的增大而减小，最大垂直应力一般出现在距离巷帮2 m~5 m的范围内。硬煤条件下煤厚为3 m时，最大垂直应力可达到140 MPa。而在距巷帮2~4 m范围内的煤体中的垂直应力则随着煤厚的增加略有增加。
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2.5 顶板砂岩段应力演化规律
工作面回采875 m时煤体中的垂直应力分布状况如图6所示。由图可知，工作面前方产生应力集中区，其应力峰值达到43 MPa，应力集中系数约为2.2。
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工作面回采915 m时煤体中的垂直应力分布状况如图7所示。由图可知，由于工作面顶板为厚硬砂岩，难以跨断，导致工作面前方应力集中程度有所增加，峰值应力达到45 MPa，应力集中系数约为2.3。
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3 结论
（1）数值模拟结果表明坚硬顶板条件下煤岩体中的垂直应力要明显高于软弱顶板条件下的，因此，通过采取切顶卸压等顶板强度弱化措施，能够降低煤岩体中的应力集中和能量积聚程度，达到减小冲击地压危险性的目的。
（2）在坚硬顶板条件下，采动影响引起的煤体中的应力集中非常明显。掘巷前，采空区侧向支承压力峰值为156 MPa；掘巷后，护巷煤柱中的最大垂直应力达到82.2 MPa；巷道实体煤侧最大垂直应力为139.7 MPa。
（3）在工作面推进到顶板砂岩段时，由于顶板条件发生改变，导致老顶周期来压步距增长，引发超支承压力峰值升高，此阶段应加强顶板应力的监测，并制定防冲措施。
[参考文献]
[1]窦林名,何江,曹安业,巩思园,蔡武.煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J].煤炭学报,2015,40(07):1469-1476.
[2]谭云亮,张明,徐强,郭伟耀,于凤海,顾士坦.坚硬顶板型冲击地压发生机理及监测预警研究[J].煤炭科学技术,2019,47(01):166-172.
[3]何江,窦林名,王崧玮,山长昊.坚硬顶板诱发冲击矿压机理及类型研究[J].采矿与安全工程学报,2017,34(06):1122-1127.
[4]冯龙飞,窦林名,王晓东,靳德武,蔡武,许刚刚,焦彪.回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制[J].煤炭学报,2019,44(11):3329-3339.
[5]杨俊哲,郑凯歌.厚煤层综放开采覆岩动力灾害原理及防治技术[J].采矿与安全工程学报,2020,37(04):750-758.
[6]郑有雷,贺虎,张雄,贾晓东,杨洋.顶板多层位定向割缝高压致裂防冲技术[J].煤矿安全,2020,51(06):81-86.
作者简介：姓名：马洪岩，性别：男，出生年：1986年08月，民族：汉，籍贯：江苏省徐州市沛县?；工作单位：徐州矿务集团张双楼煤矿；邮编：221616