坚硬顶板下综采工作面采动应力演化规律及其影响因素研究摘要：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TD821文献标志码A：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190m×60m，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。图1FLAC2D数值计算模型图2煤岩层物理力学参数（括号中的为软顶（煤）的物理力学参数）岩层类别岩性厚度/m体积模量/GPa剪切模量/GPa密度/kg·m-3内摩擦角/°内聚力/MPa基本顶粉砂岩10.015.7（5.2）10.8（3.6）270032.1（28.0）34.7（16.2）中砂岩19.526.8（8.9）7.0（2.3）270027.8（26.0）27.2（12.2）直接顶泥岩2.015.7（5.2）10.8（3.6）270032.1（28.0）34.7（16.2）煤层煤3.011.1（1.1）2.2（0.4）130031（30）5.2（3.7）直接底粉砂岩1.515.710.8270032.134.7基本底细砂岩6.040.027.4270040.028.0粉砂岩12.015.710.8270032.134.72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。（a）掘巷前（b）掘巷后图2不同硬度顶板条件下实体煤侧垂直应力分布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156MPa，最小也能达到97MPa，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...