刁乃勤，郭立穩(wěn)，李樹志

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009;2.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北唐山 063012)

急傾斜煤層開采時(shí)，由于傾角較大，重力方向與巖層層理面方向夾角變小，重力沿層理面作用力大大增加。這使得圍巖移動(dòng)規(guī)律、頂板冒落形態(tài)與緩傾斜煤層開采相比，過程更為復(fù)雜。偽斜長壁采煤法是急傾斜煤層開采的有效方法，具有巷道系統(tǒng)布置簡單，對(duì)煤厚變化適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)械化程度高，回采率高等優(yōu)點(diǎn)。本文以開灤趙各莊礦急傾斜煤層為研究對(duì)象，應(yīng)用三維有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討偽斜開采圍巖移動(dòng)變形規(guī)律，為工作面合理支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 建立模型

1.1 幾何參數(shù)

模擬煤層厚度2.5 m、傾角α=55°、埋深1000 m。模型沿走向長150 m，寬71 m，高130 m，以巖層層面為主要結(jié)構(gòu)面，劃分六面體單元46 000個(gè)，生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)50 184個(gè)。為了消除模型邊界約束對(duì)分析結(jié)果的影響，采區(qū)位于模型中心，模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1所示。

考慮到綜采設(shè)備、工作面落煤運(yùn)煤、冒落矸石自然堆積角等要求，設(shè)計(jì)工作面與傾斜方向夾角φ=52°，偽斜角β=30°，采區(qū)階段高度h=50 m，偽斜參數(shù)情況如圖2所示。工作面長度L按下列公式計(jì)算:

圖1 FLAC3D模型網(wǎng)格圖

圖2 偽斜工作面布置圖

模擬過程中工作面沿走向推進(jìn)，循環(huán)開采步距為3 m，共計(jì)算21個(gè)循環(huán)，工作面推進(jìn)63 m。

1.2 邊界條件設(shè)置及巖層參數(shù)選擇

模型底部施加Z向豎直位移約束，四周施加X、Y向水平位移約束，頂面為自由邊界，施加均布荷載為23.45MP的邊界應(yīng)力，內(nèi)部施加重力和構(gòu)造應(yīng)力載荷。依據(jù)開灤礦區(qū)水壓致裂法測定地應(yīng)力成果:趙各莊礦區(qū)最大地應(yīng)力近于垂直(約為26.12MPa)、中間和最小主應(yīng)力近于水平(約為12.86MPa、8.76MPa)。模型中通過設(shè)置漸變應(yīng)力，生成工作面附近Z 向23.45 ～26.89MPa、X 向7.55～8.70MPa，Y 向11.28 ～13.00MPa梯度變化的構(gòu)造應(yīng)力，符合原巖地應(yīng)力分布情況。

模型共劃分煤巖層9層，各層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

煤層開采前，在開切眼前方48 m處設(shè)置沿偽斜方向的測線，工作面靠近并到達(dá)測點(diǎn)后，繼續(xù)向前推進(jìn)18 m。開采及后期穩(wěn)定過程中，基本頂和直接底巖層沿Z向移動(dòng)速度被連續(xù)記錄下來。

2.1 基本頂下沉分析

基本頂不同區(qū)段下沉速度曲線如圖3所示。

圖3 基本頂下沉速度

基本頂下段:位于煤壁前方6 m以外時(shí)，基本頂下沉速率緩慢增加;隨著工作面經(jīng)過，從位于煤壁前方6 m至煤壁后方18 m(開采停止位置)，基本頂下沉速率急劇增加，由－5.1 mm/d增加到峰值－22.9 mm/d;隨后下沉速率快速降低至0。

基本頂中段:位于煤壁前方9 m以外時(shí)，基本頂下沉速率緩慢增加;從位于煤壁前方9 m至煤壁后方18 m，以及停采后一段時(shí)間內(nèi)，基本頂下沉速率急劇增加，由－6.9 mm/d增加到峰值－30 mm/d;隨后下沉速率緩慢降低至0。

基本頂上段:位于煤壁前方3 m以外時(shí)，基本頂下沉速率緩慢增加;從煤壁前方3 m至煤壁后方18 m，下沉速率急劇增加，但波動(dòng)性有所減弱，停止采動(dòng)很長時(shí)間內(nèi)，速率依然較快增長，下沉由－14.7 mm/d最終增加到峰值－40.3 mm/d，是下段峰值的1.76倍;之后下沉速率逐步降低至0。

總體來看，基本頂下沉速度可分為緩慢增加、急速波動(dòng)增加、逐步降低三個(gè)過程，最大速率滯后工作面大于18 m。下沉變形在偽斜方向上存在明顯差異，從劇烈變形持續(xù)時(shí)間、速率增加情況來看，上段幾乎為下段的2倍，是破壞最劇烈嚴(yán)重的區(qū)域;中段次之，下段最為輕微。這是由于煤層開采后，頂板冒落矸石受重力作用自溜下滑，在采場下段形成具有一定支承能力的充填帶，而采場上段產(chǎn)生大面積頂板懸露，基本頂因下方支承條件不同，上段應(yīng)力釋放更為充分，最終下沉垮落區(qū)域呈非對(duì)稱拱形。

開采過程中，底鼓速度變化情況如圖4所示。

圖4 直接底底鼓速度

2.2 底板鼓起分析

直接底下段:位于煤壁前方12 m時(shí)，底板開始出現(xiàn)底鼓;從煤壁前方12 m至3 m，底鼓速率從0緩慢增加到0.97 mm/d;隨著工作面經(jīng)過，直至位于煤壁后方18 m，底鼓進(jìn)入活躍期，峰值達(dá)到5.31 mm/d;底鼓主要產(chǎn)生于工作面經(jīng)過之后。之后速率逐步降低為0。

直接底中段:位于煤壁前方27 m以外時(shí)，底鼓速率緩慢增加;從位于煤壁前方27 m至煤壁后方9 m，底鼓處于活躍期，速率伴隨循環(huán)開采出現(xiàn)大幅波動(dòng)，峰值達(dá)到7.66 mm/d;之后速率逐漸降為0。

直接底上段:位于煤壁前方27 m以外時(shí)，底鼓速率增加緩慢;從煤壁前方27 m至煤壁后方6 m，底鼓處于活躍期，速率峰值為4.89 mm/d;底鼓主要產(chǎn)生于工作面到達(dá)之前。之后速率逐漸降為0。

當(dāng)偽斜工作面到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，底板不同分段正處于底鼓活動(dòng)的不同階段。上段處于活躍期的結(jié)束階段，底板在開采前已大量變形，壓力得到明顯釋放，開采時(shí)底鼓速度只有2.63 mm/d，并且正在逐步降低。中段處于活躍期的中間階段，底鼓量較開采前有所降低，但受循環(huán)開采礦壓影響強(qiáng)烈，速率出現(xiàn)劇烈波動(dòng);下段剛進(jìn)入活躍期，底鼓速度急速增長，且穩(wěn)定在較高數(shù)值，這是因?yàn)殚_采前底板下段在充填帶作用下壓力釋放很少，開采產(chǎn)生自由面后，壓力集中釋放，底板受擠壓開始迅速變形鼓起。

2.3 巖層體積變化分析

沿偽斜剖面，工作面周圍巖層體積變化速率如圖5所示。

圖5 巖層體積變化速率

工作面下段:只有直接頂和直接底軟巖產(chǎn)生6.05 mm3/d的體積膨脹速率，且集中在工作面上下各小于2 m的范圍內(nèi)。此區(qū)域內(nèi)頂板受到矸石充填帶的支撐作用，基本頂及上覆巖層在采動(dòng)中依然保持形態(tài)穩(wěn)定。

工作面中段:直接頂和直接底體積膨脹速率分別為15.43 mm3/d、7.71 mm3/d，同時(shí)部分基本頂產(chǎn)生3.43 mm3/d的膨脹速率。開采后工作面上方4.5 m范圍內(nèi)，基本頂內(nèi)部節(jié)理裂隙逐漸發(fā)育，伴隨出現(xiàn)離層彎曲現(xiàn)象。此區(qū)域冒落矸石無法充滿采空區(qū)，頂板存在一定懸露空間，巖層卸壓程度與范圍較下段有所加大。

工作面上段:巖層破壞范圍進(jìn)一步加大，工作面上方7.5 m范圍內(nèi)，整層基本頂體積膨脹速率為6.05 mm3/d，上半段大面積產(chǎn)生離層，頂板彎曲下沉迅速，破斷冒落后懸空空間呈不對(duì)稱拱狀;上端頭沿傾斜向上25 m范圍內(nèi)，煤巖層體積產(chǎn)生了9.14 mm3/d～3.43 mm3/d不等的膨脹速率，處于此卸壓帶內(nèi)的回風(fēng)平巷，外側(cè)煤壁受傾斜方向側(cè)壓力擠壓，巷幫容易變形破壞。

3 結(jié)論

(1)基本頂下沉速度分為3個(gè)時(shí)期:緩慢增加、急速波動(dòng)增加、逐步降低。速度峰值位于煤壁后方18 m以外。上段下沉的持續(xù)時(shí)間和劇烈程度約為下段的2倍。提高開采速度可使工作面遠(yuǎn)離下沉速率達(dá)的區(qū)域，減小支護(hù)壓力。

(2)工作面到達(dá)測點(diǎn)時(shí)，其上中下段底鼓分別處于活躍期的結(jié)束階段、中間階段、開始階段。中段底鼓速度不穩(wěn)定，受采動(dòng)影響明顯，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，采取預(yù)防措施。下段底鼓增速最劇烈，對(duì)底板破壞也最嚴(yán)重，開采過程中需及時(shí)治理。

(3)冒落矸石沿偽斜角滾落，在工作面下段形成具有一定支撐能力的充填帶。頂板下方沿偽斜方向支撐條件不同，垮落區(qū)呈非對(duì)稱拱形，拱頂約位于工作面中上段正上方。回風(fēng)平巷外側(cè)25m范圍內(nèi)為卸壓帶，巷幫受側(cè)壓力擠壓容易變形破壞，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

［1］李棲鳳.急傾斜煤層開采［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1984.

［2］譚靜，張普田，洪益清，等.開灤趙各莊礦2137西下工作面防水煤柱留設(shè)研究［J］.中國煤炭地質(zhì)，2009，21(4):35-37.

［3］武強(qiáng)，魏學(xué)勇.開灤東歡坨礦北二采區(qū)冒裂帶高度可視化數(shù)值模擬［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2002，(10):41-44.

［4］趙元放，張向陽，涂敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(2):231-234.

［5］高召寧，石平五.急斜煤層開采老頂破斷力學(xué)模型分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2003，21(1):81-83.

［6］汪成兵，張盛，勾攀峰，等.急傾斜煤層開采上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬研究［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25(3):165-167.

［7］高明中.急傾斜煤層開采巖移基本規(guī)律的模型試驗(yàn)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004，23(2):441-445.

［8］曹樹剛，劉玉成，彭勇，等.急斜煤層走向長壁綜采面頂板控制［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(4):441-444.

［9］尹光志，代高飛，皮文麗，等.俯偽斜分段密集支柱采煤法緩和急傾斜煤層礦壓顯現(xiàn)不均勻現(xiàn)象的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2003，22(9):1483-1488.