張占春

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

厚煤層大采高采場上覆巖層運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬研究

張占春

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

基于斜溝煤礦18105大采高工作面采場的煤巖賦存條件與開采條件，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，隨著工作面不斷推進(jìn)，研究厚煤層中大采高采場中上覆巖層運(yùn)移規(guī)律，模擬分析大采高采場覆巖的應(yīng)力分布、位移情況以及大采高工作面推進(jìn)過程中采場圍巖應(yīng)力場、位移場和圍巖破壞情況。研究結(jié)果可為厚煤層大采高采場圍巖控制提供理論依據(jù)和工程參考。

采礦工程；厚煤層大采高；覆巖運(yùn)移規(guī)律

20世紀(jì)70年代末期我國開始采用大采高開采方法[1-2]。隨著礦井高效安全技術(shù)的要求，人們普遍認(rèn)識(shí)到綜合機(jī)械化大采高工作面是礦井高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。由于采高的加大和設(shè)備的重型化，加上地質(zhì)條件千變?nèi)f化，大采高工作面也出現(xiàn)了一些事故，覆巖移動(dòng)規(guī)律的研究是解決問題的關(guān)鍵[3-5]。

隨著煤層的采出，上覆巖層不斷出現(xiàn)彎曲變形、下沉和破斷等一系列礦壓現(xiàn)象[6-7]。對(duì)于大采高而言，由于采高的加大，采空區(qū)空間增大，導(dǎo)致上覆巖層活動(dòng)形態(tài)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜[8-10]。基于大采高采場上覆巖層運(yùn)移規(guī)律的研究，將更有利于指導(dǎo)大采高工作面、端面以及頂板的穩(wěn)定性控制，以滿足煤炭安全高效生產(chǎn)的要求。

文章以斜溝煤礦8號(hào)煤層為工程研究背景，以5.4 m大采高采場上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬為研究對(duì)象，掌握其大采高條件下上覆巖層運(yùn)移規(guī)律，可為開采實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型建立

本模型基于斜溝煤礦18105工作面采場的煤巖賦存條件與開采條件建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬分析大采高采場覆巖應(yīng)力分布、位移情況以及工作面推進(jìn)過程中采場圍巖應(yīng)力場、位移場和圍巖破壞區(qū)域。18105工作面的基本情況：平均傾斜度是8°，大采高工作面傾斜長294.9 m，走向長3 418 m，煤的平均厚度5.4m，平均埋深160m。

基于對(duì)應(yīng)的相似理論，建立數(shù)值模型中頂板巖層厚度定義取60m，底板巖層厚度定義取20 m，煤層厚度按實(shí)際定義取5.4 m，大采高工作面長度按實(shí)際取300 m，工作面推進(jìn)距離為140 m，推進(jìn)方向上前后各留40 m寬的實(shí)體煤，整個(gè)模型的尺寸為長×寬×高=300 m×220 m×85.4 m。在模型上部邊界采用等效載荷來彌補(bǔ)模型中沒有建立巖層的重力。

模型的邊界條件是在前后左右邊界施加水平方向上的位移約束，底部邊界施加豎直方向上的位移約束。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1工作面覆巖垂直應(yīng)力分布

工作面煤體的開挖造成覆巖所處的原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，隨著工作面不斷向前推進(jìn)的過程中，相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)也處于不斷的變化過程中，圖1為工作面推進(jìn)的距離不同時(shí)覆巖的垂直應(yīng)力分布情況。

圖1 工作面覆巖在不同推進(jìn)距離下的垂直應(yīng)力分布

由圖1可知，工作面在不斷推進(jìn)的過程中，上覆巖層的垂直距離是有相同趨勢(shì)形態(tài)的，即出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。在工作面前方開采面，垂直應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體宏觀層面顯現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)；當(dāng)開采面繼續(xù)推進(jìn)的過程中，前期的應(yīng)力集中效應(yīng)會(huì)釋放，在整體宏觀顯現(xiàn)為應(yīng)力降低區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)隨著工作面的不斷推進(jìn)也不斷的增大，當(dāng)在一定推進(jìn)到一定的距離是出現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。具體為當(dāng)工作面推進(jìn)的距離分別為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m和140 m時(shí)，工作面前方煤體最大垂直應(yīng)力分別為6.12MPa、10.81 MPa、22.95 MPa、29.62MPa、33.41MPa、32.81MPa和31.04MPa。工作面前方煤體的應(yīng)力峰值一開始隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大，但整體形式并不是以線性規(guī)律遞增的，當(dāng)大采高工作面開挖距離超過100 m后，垂直應(yīng)力的峰值有所降低。

2.2 工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律

工作面開始開采后，隨著其推進(jìn)距離的不斷增加，當(dāng)上覆巖層承受的載荷超過了自身的強(qiáng)度時(shí)，覆巖就會(huì)出現(xiàn)離層、裂隙和破壞。現(xiàn)用垂直位移量來衡量覆巖的移動(dòng)情況。圖2為在不同的推進(jìn)距離下數(shù)值模擬所得的垂直位移分布情況。

圖2 工作面覆巖在不同推進(jìn)距離下的垂直位移分布

從圖2分析可知，當(dāng)工作面開采不同的距離時(shí)，上覆巖層的垂直位移情況也有不同的表現(xiàn)。具體為當(dāng)工作面推進(jìn)分別為20 m、40 m、60 m、80 m、100m、120 m和140 m時(shí)，采空區(qū)覆巖的最大垂直位移為5.7 mm、12 m、8.7 mm、115 m、121 mm、97 mm和69 mm。當(dāng)工作面剛開挖距離較小時(shí)，由于圍巖自身的穩(wěn)定性使得覆巖出現(xiàn)小的變形下沉等現(xiàn)象。當(dāng)工作面不斷繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，上覆巖層中的裂隙逐漸發(fā)育，并且貫通，覆巖出現(xiàn)宏觀的破斷現(xiàn)象。當(dāng)破斷至一定程度，巖層形成一個(gè)比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，垂直位移又減小。綜上大體總的趨勢(shì)為隨工作面不斷向前推進(jìn)中，采空區(qū)覆巖垂直位移量變化趨勢(shì)為先增大后減小。

2.3工作面覆巖破壞規(guī)律

工作面開始開采后，隨著其推進(jìn)距離的不斷增加，頂板垮落破壞的區(qū)域也不斷增大，當(dāng)其推進(jìn)的距離超過充分采動(dòng)的最小距離時(shí)，覆巖的最大破壞區(qū)域不再增加。圖3為數(shù)值模擬所得的工作面在不同的推進(jìn)距離下圍巖的塑形破壞區(qū)分布情況。

從圖3分析可知，當(dāng)工作面煤體開挖后，頂板巖層將不受到任何物體的支撐，出現(xiàn)懸空空間。工作面煤體推進(jìn)60m時(shí)，頂板巖層塑形破環(huán)區(qū)域不大，當(dāng)推進(jìn)距離超過60m時(shí)，塑形破壞區(qū)域顯著的增大。由于受到水平、垂直應(yīng)力的影響，如果頂板巖層受到了可承受的最大應(yīng)力擠壓，那么采空區(qū)頂板會(huì)受到影響。隨著綜采面不斷推進(jìn)過程中，裂隙也會(huì)在覆巖范圍中擴(kuò)大，進(jìn)而拉伸破壞頂板。工作面的不斷推進(jìn)會(huì)相應(yīng)的增加拉伸破壞面積。煤層頂板位置出現(xiàn)縱向破壞，工作面方面是橫向破壞的出現(xiàn)區(qū)域。

3 結(jié)論

1）應(yīng)力在大采高工作面采場覆巖中的分布情況是：主要有穩(wěn)定區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)三個(gè)位置分布。隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力增高區(qū)范圍也不斷增大，且峰值也相應(yīng)地增加。

2）隨著采場的不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層垂直移動(dòng)的距離不斷增加，且上覆巖層出現(xiàn)下沉的范圍也不斷增大。

3）隨著工作面不斷向前推進(jìn)的過程，頂板所承載的載荷也在增大，當(dāng)達(dá)到甚至超過頂板圍巖的強(qiáng)度極限時(shí)，頂板出現(xiàn)垮落變形破壞。

[1]弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006.

[2]楊永康.特厚煤層大采高綜放采場覆巖移動(dòng)規(guī)律及圍巖控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2014.

[3]許家林，鞠金峰.特大采高綜采面關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（8）：5547-1556.

[4]鞠金峰，許家林，王慶雄.大采高采場關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)型式及對(duì)礦壓的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011,36（12）：2115-2120.

[5]王學(xué)軍，錢學(xué)森.厚煤層大采高全厚開采工藝研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（2）:212-216．

[6]賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[7]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[8]郝海金，吳健，張勇，等.大采高開采上位巖層平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場礦壓顯現(xiàn)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29（2）:137-141．

[9]弓培林，靳鐘銘.大采高綜采采場頂板控制力學(xué)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（1）:193-198．

[10]弓培林，靳鐘銘.大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29（1）：7-11．

（編輯：薄小玲）

Numerical Simulation on M ovement of Overlying Strata in Large-m ining-height Thick Coal Seam M ining

ZHANG Zhanchun
(Xiegou Mine,Xishan Jinxing Energy Co.,Ltd.,Lvliang 033602,China)

Based on the occurrence and mining condition of coal rock in No.18105 large-miningheight working face in Xiegou Mine,numerical simulation model of FLAC3Dwas established.With the advancing of the working face,the movement of overlying strata was studied.We simulated the stress distribution,displacement,and stress field,displacement field,and surrounding rock failure.The results could provide theoretical rationale and engineering reference for the surrounding rock control in thick coal seam with large-mining-heightmining.

mining engineering;large-mining-height of thick coal seam;movement of overlying strata

TD 325

A

1672-5050（2016）06-001-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.001

2016-08-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404167)；太原理工大學(xué)?；饒F(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(1205-04020102)；山西省自然科學(xué)基金（2014011035-2）

張占春（1977-），男，山西原平人，碩士，工程師，從事采場礦壓控制技術(shù)與管理工作。