厚煤層大采高采場上覆巖層運移規律數值模擬研究

張占春

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西呂梁 033602）

厚煤層大采高采場上覆巖層運移規律數值模擬研究

張占春

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，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數值計算模型，隨著工作面不斷推進，研究厚煤層中大采高采場中上覆巖層運移規律，模擬分析大采高采場覆巖的應力分布、位移情況以及大采高工作面推進過程中采場圍巖應力場、位移場和圍巖破壞情況。研究結果可為厚煤層大采高采場圍巖控制提供理論依據和工程參考。

采礦工程；厚煤層大采高；覆巖運移規律

20世紀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的要求，人們普遍認識到綜合機械化大采高工作面是礦井高產高效的基礎。由于采高的加大和設備的重型化，加上地質條件千變萬化，大采高工作面也出現了一些事故，覆巖移動規律的研究是解決問題的關鍵[3-5]。

隨著煤層的采出，上覆巖層不斷出現彎曲變形、下沉和破斷等一系列礦壓現象[6-7]。對于大采高而言，由于采高的加大，采空區空間增大，導致上覆巖層活動形態結構極其復雜[8-10]。基于大采高采場上覆巖層運移規律的研究，將更有利于指導大采高工作面、端面以及頂板的穩定性控制，以滿足煤炭安全高效生產的要求。

文章以斜溝煤礦8號煤層為工程研究背景，以5.4 m大采高采場上覆巖層的運移規律的數值模擬為研究對象，掌握其大采高條件下上覆巖層運移規律，可為開采實踐提供指導。

1 數值模型建立

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數值模型，模擬分析大采高采場覆巖應力分布、位移情況以及工作面推進過程中采場圍巖應力場、位移場和圍巖破壞區域。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。

基于對應的相似理論，建立數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，煤層厚度按實際定義取5.4 m，大采高工作面長度按實際取300 m，工作面推進距離為140 m，推進方向上前后各留40 m寬的實體煤，整個模型的尺寸為長×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 模擬結果及分析

2.1工作面覆巖垂直應力分布

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

圖1 工作面覆巖在不同推進距離下的垂直應力分布

由圖1可知，工作面在不斷推進的過程中，上覆巖層的垂直距離是有相同趨勢形態的，即出現應力升高區和應力降低區。在工作面前方開采面，垂直應力會產生應力集中現象，整體宏觀層面顯現應力增高區；當開采面繼續推進的過程中，前期的應力集中效應會釋放，在整體宏觀顯現為應力降低區。應力降低區隨著工作面的不斷推進也不斷的增大，當在一定推進到一定的距離是出現平穩狀態。具體為當工作面推進的距離分別為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m和140 m時，工作面前方煤體最大垂直應力分別為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力峰值一開始隨著工作面推進距離的增大而增大，但整體形式并不是以線性規律遞增的，當大采高工作面開挖距離超過100 m后，垂直應力的峰值有所降低。

2.2 工作面覆巖移動規律

工作面開始開采后，隨著其推進距離的不斷增加，當上覆巖層承受的載荷超過了自身的強度時，覆巖就會出現離層、裂隙和破壞。現用垂直位移量來衡量覆巖的移動情況。圖2為在不同的推進距離下數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距離下的垂直位移分布

從圖2分析可知，當工作面開采不同的距離時，上覆巖層的垂直位移情況也有不同的表現。具體為當工作面推進分別為20 m、40 m、60 m、80 m、100m、120 m和140 m時，采空區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。當工作面剛開挖距離較小時，由于圍巖自身的穩定性使得覆巖出現小的變形下沉等現象。當工作面不斷繼續推進時，上覆巖層中的裂隙逐漸發育，并且貫通，覆巖出現宏觀的破斷現象。當破斷至一定程度，巖層形成一個比較穩定的結構，垂直位移又減小。綜上大體總的趨勢為隨工作面不斷向前推進中，采空區覆巖垂直位移量變化趨勢為先增大后減小。

2.3工作面覆巖破壞規律

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

從圖3分析可知，當工作面煤體開挖后，頂板巖層將不受到任何物體的支撐，出現懸空空間。工作面煤體推進60m時，頂板巖層塑形破環區域不大，當推進距離超過60m時，塑形破壞區域顯著的增大。由于受到水平、垂直應力的影響，如果頂板巖層受到了可承受的最大應力擠壓，那么采空區頂板會受到影響。隨著綜采面不斷推進過程中，裂隙也會在覆巖范圍中擴大，進而拉伸破壞頂板。工作面的不斷推進會相應的增加拉伸破壞面積。煤層頂板位置出現縱向破壞，工作面方面是橫向破壞的出現區域。

3 結論

1）應力在大采高工作面采場覆巖中的分布情況是：主要有穩定區、應力增高區、應力降低區三個位置分布。隨著工作面的不斷推進，應力增高區范圍也不斷增大，且峰值也相應地增加。

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

3）隨著工作面不斷向前推進的過程，頂板所承載的載荷也在增大，當達到甚至超過頂板圍巖的強度極限時，頂板出現垮落變形破壞。

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

[2]楊永康.特厚煤層大采高綜放采場覆巖移動規律及圍巖控制[M].北京：煤炭工業出版社，2014.

[3]許家林，鞠金峰.特大采高綜采面關鍵層結構形態及其對礦壓顯現的影響[J].巖石力學與工程學報，2011，30（8）：5547-1556.

[4]鞠金峰，許家林，王慶雄.大采高采場關鍵層“懸臂梁”結構運動型式及對礦壓的影響[J].煤炭學報，2011,36（12）：2115-2120.

[5]王學軍，錢學森.厚煤層大采高全厚開采工藝研究與應用[J].采礦與安全工程學報，2009，26（2）:212-216．

[6]賈喜榮.巖石力學與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2010.

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

[8]郝海金，吳健，張勇，等.大采高開采上位巖層平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響[J].煤炭學報，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模型研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（1）:193-198．

[10]弓培林，靳鐘銘.大采高采場覆巖結構特征及運動規律研究[J].煤炭學報，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

國家自然科學基金資助項目(51404167)；太原理工大學校基金團隊項目(1205-04020102)；山西省自然科學基金（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與管理工作。