0 引言
巨厚松散层薄基岩条件下厚煤层开采属于特殊地质条件下的煤层开采。当巨厚松散层底部存在含水层，厚煤层上覆薄基岩在采动影响下出现采动裂隙时，松散层的水或泥砂经过采动裂隙进入采煤工作面，极易发生工作面突水、顶板溃砂及压架事故[1]。王晓振等[2]研究了薄基岩条件下矿压显现规律与煤层采高及岩层力学性质的关系，得出不同类型的基岩表现出的矿压显现特征不同的结论；尉瑞等[3]研究了坚硬黏土层的存在对薄基岩综放工作面矿压显现的影响，发现薄基岩上覆巨厚松散黏土层时，煤层开采易造成松散黏土层内部形成拱形结构，与薄基岩共同形成或独自形成顶板承载结构，有利于减少煤层开采时发生的事故。查文华等[4]研究了深埋特厚煤层大采高综放工作面的覆岩运动规律和液压支架选型。贾明魁[5]研究了巨厚松散层薄基岩顶板变形失稳的模式。本文在上述研究的基础上，以焦作煤业(集团)有限责任公司赵固一矿12051综采工作面为工程背景，研究巨厚松散层条件下煤层开采薄基岩变形及矿压显现，可为类似地质条件下综采工作面围岩控制提供依据。
1 工程概况
赵固一矿设计生产能力为240万t/a，井田东西长度约为15 km，南北宽度为2.0～5.5 km。井田采用立井开拓方式，井筒深度约为608 m。井田上覆第四系、新近系松散层，厚度为366～808 m，平均厚度为480 m。松散层以黏土、砂质黏土为主，中间夹有多层砂砾含水层。矿井主采的二1煤层为近水平厚煤层，煤层上覆基岩层厚度为13.9～95.5 m，平均厚度为44.8 m。
赵固一矿12051综采工作面北侧为采空区，南侧为实体煤，开采二1煤层的顶分层，二1煤层平均厚度为6.3 m，工作面平均采高为3.5 m。工作面长度为183 m，工作面推进长度为1 369 m。工作面的伪顶为泥岩，厚度为0.1～0.4 m；直接顶以砂质泥岩为主，厚度为5.3～11.7 m；基本顶由粗、中、细粒砂岩组成，厚度为2.1～12.3 m；直接底为泥岩、砂质泥岩，厚度为13.8～15.3 m。
2 数值模拟
2.1 数值计算模型建立
依据赵固一矿12051综采工作面地质条件，建立数值计算模型[6-8]，如图1所示。模型走向长度为300 m，垂直高度为110 m。模型底部和两侧施加位移边界条件：模型底部边界为固支边；模型两侧边界为简支边，采用水平位移约束，参照矿区有关试验报告，按照侧压系数为1.2施加水平应力。模型顶部施加载荷边界条件，顶板边界施加9.2 MPa垂直均布载荷来代替未模拟的巨厚松散层的自重应力。
图1 数值计算模型
Fig.1 Numerical calculation model
依据矿井揭露煤岩层情况和有关地质报告[9]，确定模型中煤岩层力学参数，见表1。模型中岩体破坏强度准则采用莫尔-库伦强度准则，岩层层理和节理等弱面变形特征符合库伦滑移模型。
考虑到模型边界效应影响，距模型左边界80 m布置开切眼。工作面自开切眼位置向右侧方向连续开采，推进步距为5 m，推进距离达到140 m后工作面停采。利用UDEC数值模拟软件进行数值计算，研究工作面推进过程中上覆基岩变形及矿压显现。
2.2 数值模拟结果分析
2.2.1 工作面上覆基岩变形特征
自开切眼开始，随着综采工作面不断推进，直接顶悬顶面积逐渐增加。下位砂质泥岩直接顶富含水平层理，随着工作面推进而随采随冒，形成垮落带[10-11]。
表1 煤岩层力学参数
Table 1 Mechanical parameters of coal-rock strata
当工作面推进距离为55 m时，下位中粒砂岩基本顶初次失稳，造成工作面初次来压；基本顶破断下沉后与下位垮落带岩层接触并压实，此时采空区上部岩层垂直位移急剧增大；基本顶上部岩层开始沿层理出现离层现象，在剪应力的作用下产生与岩层层理垂直或斜交的次生裂隙，如图2所示。
图2 工作面推进距离为55 m时上覆基岩变形特征
Fig.2 Deformation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 55 m
当工作面推进距离为70 m时，基本顶发生第1次周期来压，破断岩块发生变形失稳，形成台阶岩梁结构，次生裂隙进一步向上发展，此时垮落带岩石充满采空区，垮落带高度基本趋于稳定，如图3所示。
当工作面推进距离为85 m时，基本顶出现第2次周期失稳，采空区垮落带矸石压实后支撑上覆裂隙带岩层，裂隙带岩层变形趋于缓和，如图4所示。
当工作面推进距离为140 m时，上位中粒砂岩主关键层出现垮落，其上覆砂质泥岩和巨厚松散层发生随动变形，如图5所示。
图2—图5分析结果表明，12051综采工作面初次来压步距为55 m，周期来压步距为15 m；垮落带高度为12.4 m，垮采比为3.54；裂隙带高度为36.7 m，裂采比为10.48。
图3 工作面推进距离为70 m时上覆基岩变形特征
Fig.3 Deformation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 70 m
图4 工作面推进距离为85 m时上覆基岩变形特征
Fig.4 Deformation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 85 m
图5 工作面推进距离为140 m时上覆基岩变形特征
Fig.5 Deformation characteristic of overlying bedrock when coal face advances 140 m
2.2.2 工作面前方支承压力特征
随着12051综采工作面的推进，采空区上覆基岩各层不断经历下沉变形、弯曲离层、断裂失稳等循环过程，采空区上覆基岩部分质量将向采空区周围四周转移，从而在工作面前方形成超前支承压力，并在采空区正上方出现卸压区。通常采用3个基本参数来表示工作面前方支承压力的分布特征[12-14]：① 最大应力集中系数，即工作面前方支承压力峰值与原岩垂直应力的比值；② 塑性区范围，即支承压力峰值距煤壁距离；③ 支承压力影响区范围。
不同推进距离时工作面前方支承压力如图6所示。随着工作面推进距离的增加，支承压力影响区范围、支承压力峰值和塑性区范围均增加；随着距工作面煤壁距离的增加，支承压力逐渐增大，到达峰值后开始逐渐降低，最后趋于原岩应力；根据支承压力大小，可将前方支承压力影响区范围划分为应力增高区、应力降低区和原岩应力区3个区域；当工作面推进距离超过55 m，即基本顶初次来压后，工作面前方支承压力基本处于稳定状态，其中原岩应力为13.8 MPa，支承压力影响区范围为28.0 m，峰值应力稳定在65.6 MPa。
图6 不同推进距离时工作面前方支承压力
Fig.6 Front abutment pressure of coal face with different advancing distances
最大应力集中系数和塑性区范围与工作面推进距离的关系如图7所示。随着工作面推进距离的增加，最大应力集中系数和塑性区范围与推进距离之间呈正相关关系；当工作面推进距离超过55 m，即基本顶初次来压后，工作面前方支承压力趋于稳定，主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持不变。
图7 最大应力集中系数和塑性区范围与工作面推进距离的关系
Fig.7 Relationship between the maximum stress concentration factor and plastic zone range and coal face advancing distance
3 结论
(1) 通过数值模拟12051综采工作面开采过程中上覆基岩变形特征，确定了工作面初次来压步距为55 m，周期来压步距为15 m；垮落带高度为12.4 m，垮采比为3.54；裂隙带高度为36.7 m，裂采比为10.48。
(2) 工作面前方支承压力与工作面推进距离有关。随着工作面推进距离的不断增加，工作面前方支承压力影响区范围、支承压力峰值和塑性区范围均增加；当工作面推进距离超过55 m，即基本顶初次来压后，工作面前方支承压力处于稳定状态，主要表现为最大应力集中系数和塑性区范围基本保持不变。
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