張凱峰

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

國(guó)內(nèi)外大多數(shù)采礦研究者都對(duì)大采高影響產(chǎn)生的采場(chǎng)壓力顯現(xiàn)規(guī)律和頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律給予密切的關(guān)注，因?yàn)檠芯康拿旱V地質(zhì)環(huán)境不僅多樣而且比較復(fù)雜，我國(guó)采高大的綜采面液壓支架失穩(wěn)問題比采高小的綜采面產(chǎn)生的問題更為嚴(yán)重，平均事故率達(dá)到6%～20%以上，因此在采礦生產(chǎn)實(shí)踐中，大采高綜采面特殊的礦壓規(guī)律研究己成為亟待解決的問題[1-4]。國(guó)外厚煤層環(huán)境較少，適用大采高綜采的國(guó)家寥寥無幾，而在美國(guó)、澳大利亞等厚煤層較多的國(guó)家大部分采用房柱式采煤的方法，目前我國(guó)采礦工作者對(duì)大采高綜放工作面以及巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但大采高綜采研究時(shí)間較短缺乏實(shí)踐探索經(jīng)驗(yàn)，而各個(gè)研究領(lǐng)域所觀測(cè)的礦壓數(shù)據(jù)和提供的研究結(jié)果，僅對(duì)局部相似環(huán)境的采礦研究提供一些參考價(jià)值，還不能直接引用到其他條件的研究[5-8]，因此，本文通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)山西某煤礦15302 工作面為研究對(duì)象，研究大采高開采覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 工作面概況

山西某煤礦15302 工作面為兩巷布置，兩條順槽與二盤區(qū)三條大巷的夾角為76°20′向東開掘。2203 皮帶順槽、5203 輔助運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)。5 號(hào)煤層頂板至大同組最下部可采煤層之間由永定莊組、上下石盒子組及山西組地層組成，其巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖，以半堅(jiān)硬巖石為主，其厚度在143.7～573.0 m。

根據(jù)工作面鉆孔資料綜合分析煤層頂板巖性自下而上為：灰褐色高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，薄層狀、含植物化石碎片，性脆。3 號(hào)—1 號(hào)煤層，厚度為1.09 m。灰褐色、灰白色高嶺質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖互層，高嶺質(zhì)泥巖，含不完整植物化石，粉細(xì)砂巖，水平層理發(fā)育，下部具垂直節(jié)理。2 號(hào)煤層，厚度為3.84 m?；液稚⑸罨疑?、灰色、高嶺巖、粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，薄層狀，粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)膠結(jié)，含植物化石、水平層理、中厚層狀、磨圓度均好。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

2.1.1 模型方案及尺寸

模型分為4 m 采高和6 m 采高兩種，尺寸均為300 m×300 m×300 m。開挖90 m。三維有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 三維有限元模型示意圖(300 m×300 m×300 m)

2.1.2 幾何模型參數(shù)確定

根據(jù)FLAC3D 模擬要求，作如下假設(shè)，第一模型上部邊界達(dá)到地表，其載荷在模型上分布均衡，第二模型內(nèi)部各層的應(yīng)力分布只受采深的影響，且隨采深的增加相應(yīng)增加，同一層應(yīng)力相同。

2.1.3 模型邊界條件及各巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)模擬需要，其模型的物理力學(xué)參數(shù)（彈性模量，剪切模量，剪切力，拉應(yīng)力，內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力）參照山西該煤礦15302 工作面巖石力學(xué)性質(zhì)，如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬計(jì)算及結(jié)果分析

2.2.1 大采高工作面煤層應(yīng)力分布規(guī)律

隨著大采高綜放面的推進(jìn)，其推進(jìn)位置直接影響著煤層應(yīng)力集中分布強(qiáng)弱，總體上應(yīng)力值由工作面的中部向兩側(cè)呈遞減趨勢(shì)，在工作面中部，應(yīng)力高且分布廣，在工作面兩側(cè)，應(yīng)力相對(duì)較低并且分布范圍窄。

計(jì)算結(jié)果表明工作面超前應(yīng)力集中系數(shù)不是常數(shù)，由圖2 可見，在沿著煤層傾向剖面上，工作面超前支承壓力與工作面位置的遠(yuǎn)近成反比關(guān)系。同時(shí)，沿傾向煤層內(nèi)的超前支承壓力從工作面中部向兩側(cè)經(jīng)歷了由高到低的變化過程。

圖2 沿傾向不同距離處煤層垂直應(yīng)力分布

2.2.2 大采高工作面沿走向采場(chǎng)圍巖破壞特征

圖3 給出了工作面走向圍巖破壞特性和破壞分布范圍。大采高工作面周圍局部煤巖幾乎全部處于屈服破壞狀態(tài)。工作面煤巖處于塑性屈服狀態(tài)主要集中在煤壁前方5～10 m 范圍內(nèi)，而在煤壁前方10～15 m 煤層中部分少許煤巖處于破壞恢復(fù)過程，工作面底板煤巖要比頂板及煤層內(nèi)的破壞區(qū)域更大。在工作面中部的煤壁后方10 m 處還有部分煤巖存在拉破壞。而在工作面兩側(cè)的圍巖破壞的特征如圖4所示，從圖可見，工作面頂?shù)装迕簬r存在嚴(yán)重的拉破壞和剪切破壞，工作面兩側(cè)的煤壁前方處于塑性破壞區(qū)域分布范圍達(dá)15 m，而且與工作面中部的煤巖屈服破壞情況相反，頂板的破壞范圍比底板和煤層的范圍要大。

圖3 工作面走向圍巖破壞特性和破壞分布

圖4 沿工作面兩側(cè)距邊界7 m 處圍巖破壞分布

圖5 工作面周圍破壞區(qū)分布

2.2.3 大采高工作面煤層破壞特征

圖5 給出了工作面周圍煤層內(nèi)的破壞區(qū)分布。由圖5 可見，開采時(shí)沿傾向工作面前方煤體的塑性區(qū)寬度基本一致，影響范圍在工作面前方5～10 m。工作面的兩側(cè)影響范圍較中部超前5 m，且煤體兩側(cè)部分出現(xiàn)塑性屈服高峰破壞后期的恢復(fù)過程（三維應(yīng)力處于煤體屈服極限以內(nèi)）。破壞性質(zhì)基本屬于剪切破壞。在工作面后方。隨著遠(yuǎn)離工作面，兩側(cè)實(shí)體煤邊緣的塑性破壞區(qū)出現(xiàn)峰后狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)象。

2.2.4 不同采高覆巖破壞特征

根據(jù)上述對(duì)圍巖破壞特征分析，并結(jié)合礦井實(shí)際和相似模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)6 m 采高和4 m 采高的覆巖破壞特征進(jìn)行了分析，得出如下。

1）采高4 m 時(shí)的覆巖冒落帶高度為13.5 m，小于采高6 m 時(shí)的覆巖冒落帶高度22.4 m，相差了4.9 m。而且采高4 m 時(shí)的覆巖冒落帶高度為采高的3.38 倍，采高6 m 時(shí)的覆巖冒落帶高度為采高的3.75 倍，相差了 0.37 倍。

2）采高6 m 時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度87.5 m，大于采高4 m 時(shí)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度47.3 m，采高6 m時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度是采高的14.58 倍，采高4 m時(shí)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度是采高的的11.83 倍。

3）采高6 m 時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度與采高4 m 時(shí)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度相差了40.2 m，而且采高6 m時(shí)的導(dǎo)水裂隙帶高度和采高的比值與4 m 時(shí)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度和采高的比值相差了2.755。

可以看出，在大采高開采情況下，不管是冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度，還是冒落帶與采高的比值和導(dǎo)水裂隙帶的高度與采高的比值，都有了很大的增加。這與采高4 m 的直接頂包括了2 m 的頂煤有直接的關(guān)系，所以采高4 m 時(shí)冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶的高度，以及冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶的高度與采高的比值相對(duì)較小。但是采高6 m 時(shí)的覆巖破壞形態(tài)與采高4 m時(shí)的覆巖破壞形態(tài)基本相同。

3 結(jié)語

1）隨著大采高綜放面的推進(jìn)，其推進(jìn)位置直接影響著煤層應(yīng)力集中分布強(qiáng)弱，總體上應(yīng)力值由工作面的中部向兩側(cè)呈遞減趨勢(shì)，在工作面中部，應(yīng)力高且分布廣，在工作面兩側(cè)，應(yīng)力相對(duì)較低并且分布范圍窄。

2）工作面頂?shù)装迕簬r存在嚴(yán)重的拉破壞和剪切破壞，工作面兩側(cè)的煤壁前方處于塑性破壞區(qū)域分布范圍達(dá)15 m，而且與工作面中部的煤巖屈服破壞情況相反，頂板的破壞范圍比底板和煤層的范圍要大。

3）開采時(shí)沿傾向工作面前方煤體的塑性區(qū)寬度基本一致，影響范圍在工作面前方5～10 m。同時(shí)工作面的兩側(cè)影響范圍較中部超前5 m，并且兩側(cè)煤體局部出現(xiàn)塑性屈服破壞后的峰后狀態(tài)恢復(fù)（三維應(yīng)力處于煤體屈服極限以內(nèi)），破壞性質(zhì)基本屬于剪切破壞。在工作面后方，隨著遠(yuǎn)離工作面，兩側(cè)實(shí)體煤邊緣的塑性破壞區(qū)出現(xiàn)峰后狀態(tài)恢復(fù)現(xiàn)象。

4）在大采高開采情況下，不管是冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度，還是冒落帶與采高的比值和導(dǎo)水裂隙帶的高度與采高的比值，都有了很大的增加。