傾斜煤層工作面開采圍巖的穩定性研究

郝 宇

（西山煤電股份有限公司 屯蘭礦，山西 古交 030206）

1 概述

經國內學者的現場和理論研究發現，傾斜煤層在綜采條件下其頂板垮落和礦壓特征不同于近水平煤層，頂煤和老頂的破壞特征及來壓特征具有一定的特殊性[1、2]。因此，深入研究傾斜煤層開采時的穩定性特征顯得非常重要。

本文運用大型三維數值計算軟件，對某大型煤礦傾斜煤層長壁工作面開采時圍巖的應力、位移、破壞區域進行了研究。分析了應力場、位移場、破壞區域分布特征。研究結果可給同類條件下礦井的支護設計和生產提供參考。

2 數值計算模型

為能準確地對現場進行模擬研究，根據礦井實際條件，參照原有地質資料，通過井下鉆孔取芯，并在巖石力學實驗室精確測量巖層的物理力學參數，得出了煤層附近巖層的物理力學參數，如表1所示。

表1 巖石物理力學參數

數值計算采用國際上著名的大型巖土數值計算軟件Flac3D。為能真實反映該礦不同開采工藝時工作面附近煤層的穩定性狀態，根據該礦井的生產條件和數值計算的建模原則[6]，建立了數值計算模型，見圖1。整個模型的長100 m，寬20 m，高103 m，煤層傾角25°。模型除上邊界外的五個邊界面的法向位移固定，上邊界施加3 MPa的均布壓力，以模擬上覆巖層的自重，并施加重力場。

圖1 數值計算模型圖

圖1中深藍色巖層為煤層，粉紅色巖層為底板巖層，淺藍色巖層為直接頂巖層，綠色巖層為老頂巖層。老頂巖層、直接頂巖層、煤層、底板巖層的傾角均為25°，并設這4層巖層均為等厚度巖層。本次計算中，初始應力場為自重應力場，計算過程中先進行初始應力場的平衡，隨后實施工作面開采的施工模擬。

3 計算結果分析

由圖2知，鉛垂應力分布基本和靜水壓力一致，在同一水平線上沿巖層傾向正方向鉛垂應力略微增大。

圖2 初始鉛垂應力云圖

工作面正常推進中，工作面附近圍巖的應力場、位移場的演變，以及圍巖破壞程度，對于工作面的穩定性具有關鍵性的影響作用。為了清楚認識工作面正常推進過程中圍巖的應力場、位移場、破碎區的演化規律，分別對該礦傾斜工作面開采進行應力位移分析和頂煤破壞程度分析。

按前面設計方案計算完成后，特繪制了圍巖的鉛錘應力云圖，見圖3；水平應力云圖，見圖4；鉛錘位移云圖，見圖5；水平位移云圖，見圖6；圍巖破壞區域分布圖，見圖7。

圖3 工作面圍巖鉛垂應力云圖

圖4 工作面圍巖水平應力云圖

圖5 工作面圍巖鉛垂位移云圖

圖6 工作面圍巖水平位移云圖

圖7 工作面圍巖破壞區域分布

3.1 工作面圍巖的應力特征

根據計算結果得知，該礦傾斜工作面正常推進中，最大鉛垂應力在8MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平應力在4.8 MPa左右，其分布也集中在工作面前上方的煤體深部。

3.2 工作面圍巖的位移特征

最大鉛垂位移出現在控頂距的末段頂煤處，其值約在0.17 m左右，最大水平位移出現在工作面煤壁上，其值約在0.07 m左右。考慮到數值計算連續介質軟件的缺陷，在變形數值上，現場值要大約計算結果；但在位移分布規律上，數值計算和現場實測趨于一致。

3.3 工作面圍巖的破壞區域特征

根據工作面煤層的破壞情況可知，工作面前方煤壁形成了一定深度的破壞區，基本都屬于剪切破壞；通常頂煤的破壞深度略大于采高煤層，控頂區域內的頂煤全部破壞，基本屬于剪切破壞和拉伸破壞的復合破壞模式。造成這種破壞的原因是：工作面推進中，當頂煤接近工作面時首先發生剪切破壞；當工作面推過時，立即發生了拉伸破壞；這種先破壞的巖體破壞過程長、破壞次數多，破壞復合和疊加加強了頂煤的破壞程度，有利于放煤。

4 結束語

本文利用大型巖土數值計算軟件，分析了某大型煤礦傾斜長壁工作面圍巖的應力場、位移場、破壞區分布特征，探討了工作面開采時圍巖的穩定性狀況，得到有益認識。

1）該礦傾斜工作面正常推進中，最大鉛垂應力在8 MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平應力在4.8 MPa左右，其分布也集中在工作面前上方的煤體深部。

2）該礦傾斜工作面正常推進中，最大鉛垂位移出現在控頂距的末段頂煤處，其值約在0.17 m左右；最大水平位移出現在工作面煤壁上，其值約在0.07m左右。

3）工作面前方煤壁形成了一定深度的破壞區，基本都屬于剪切破壞；通常頂煤的破壞深度略大于采高煤層，控頂區域內的頂煤全部破壞，基本屬于剪切破壞和拉伸破壞的復合破壞模式。

[1]蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社,2002.

[2]錢銘高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.