大采高開采覆巖結構及運動特征數值分析

張凱峰

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

國內外大多數采礦研究者都對大采高影響產生的采場壓力顯現規律和頂板巖層運動規律給予密切的關注，因為研究的煤礦地質環境不僅多樣而且比較復雜，我國采高大的綜采面液壓支架失穩問題比采高小的綜采面產生的問題更為嚴重，平均事故率達到6%～20%以上，因此在采礦生產實踐中，大采高綜采面特殊的礦壓規律研究己成為亟待解決的問題[1-4]。國外厚煤層環境較少，適用大采高綜采的國家寥寥無幾，而在美國、澳大利亞等厚煤層較多的國家大部分采用房柱式采煤的方法，目前我國采礦工作者對大采高綜放工作面以及巷道圍巖控制技術進行了相應的研究，但大采高綜采研究時間較短缺乏實踐探索經驗，而各個研究領域所觀測的礦壓數據和提供的研究結果，僅對局部相似環境的采礦研究提供一些參考價值，還不能直接引用到其他條件的研究[5-8]，因此，本文通過FLAC3D 數值模擬軟件對山西某煤礦15302 工作面為研究對象，研究大采高開采覆巖結構及運動規律。

1 工作面概況

山西某煤礦15302 工作面為兩巷布置，兩條順槽與二盤區三條大巷的夾角為76°20′向東開掘。2203 皮帶順槽、5203 輔助運輸順槽沿煤層底板掘進。5 號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、砂質泥巖及泥巖，以半堅硬巖石為主，其厚度在143.7～573.0 m。

根據工作面鉆孔資料綜合分析煤層頂板巖性自下而上為：灰褐色高嶺質泥巖、炭質泥巖，薄層狀、含植物化石碎片，性脆。3 號—1 號煤層，厚度為1.09 m。灰褐色、灰白色高嶺質泥巖、粉細砂巖互層，高嶺質泥巖，含不完整植物化石，粉細砂巖，水平層理發育，下部具垂直節理。2 號煤層，厚度為3.84 m。灰褐色、深灰色、灰色、高嶺巖、粉細砂巖、砂質泥巖、高嶺質泥巖，薄層狀，粉細砂巖、泥質膠結，含植物化石、水平層理、中厚層狀、磨圓度均好。

2 數值模擬

2.1 計算模型的建立

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 幾何模型參數確定

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

2.1.3 模型邊界條件及各巖層物理力學參數

根據模擬需要，其模型的物理力學參數（彈性模量，剪切模量，剪切力，拉應力，內摩擦角，內聚力）參照山西該煤礦15302 工作面巖石力學性質，如表1所示。

表1 巖石物理力學參數

2.2 模擬計算及結果分析

2.2.1 大采高工作面煤層應力分布規律

隨著大采高綜放面的推進，其推進位置直接影響著煤層應力集中分布強弱，總體上應力值由工作面的中部向兩側呈遞減趨勢，在工作面中部，應力高且分布廣，在工作面兩側，應力相對較低并且分布范圍窄。

計算結果表明工作面超前應力集中系數不是常數，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近成反比關系。同時，沿傾向煤層內的超前支承壓力從工作面中部向兩側經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力分布

2.2.2 大采高工作面沿走向采場圍巖破壞特征

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。工作面煤巖處于塑性屈服狀態主要集中在煤壁前方5～10 m 范圍內，而在煤壁前方10～15 m 煤層中部分少許煤巖處于破壞恢復過程，工作面底板煤巖要比頂板及煤層內的破壞區域更大。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。而在工作面兩側的圍巖破壞的特征如圖4所示，從圖可見，工作面頂底板煤巖存在嚴重的拉破壞和剪切破壞，工作面兩側的煤壁前方處于塑性破壞區域分布范圍達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 沿工作面兩側距邊界7 m 處圍巖破壞分布

圖5 工作面周圍破壞區分布

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的破壞區分布。由圖5 可見，開采時沿傾向工作面前方煤體的塑性區寬度基本一致，影響范圍在工作面前方5～10 m。工作面的兩側影響范圍較中部超前5 m，且煤體兩側部分出現塑性屈服高峰破壞后期的恢復過程（三維應力處于煤體屈服極限以內）。破壞性質基本屬于剪切破壞。在工作面后方。隨著遠離工作面，兩側實體煤邊緣的塑性破壞區出現峰后狀態恢復現象。

2.2.4 不同采高覆巖破壞特征

根據上述對圍巖破壞特征分析，并結合礦井實際和相似模擬實驗，對6 m 采高和4 m 采高的覆巖破壞特征進行了分析，得出如下。

1）采高4 m 時的覆巖冒落帶高度為13.5 m，小于采高6 m 時的覆巖冒落帶高度22.4 m，相差了4.9 m。而且采高4 m 時的覆巖冒落帶高度為采高的3.38 倍，采高6 m 時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 時的導水裂隙帶高度87.5 m，大于采高4 m 時的覆巖導水裂隙帶高度47.3 m，采高6 m時的導水裂隙帶高度是采高的14.58 倍，采高4 m時的覆巖導水裂隙帶高度是采高的的11.83 倍。

3）采高6 m 時的導水裂隙帶高度與采高4 m 時的覆巖導水裂隙帶高度相差了40.2 m，而且采高6 m時的導水裂隙帶高度和采高的比值與4 m 時的覆巖導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，不管是冒落帶和導水裂隙帶的高度，還是冒落帶與采高的比值和導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 的頂煤有直接的關系，所以采高4 m 時冒落帶、導水裂隙帶的高度，以及冒落帶、導水裂隙帶的高度與采高的比值相對較小。但是采高6 m 時的覆巖破壞形態與采高4 m時的覆巖破壞形態基本相同。

3 結語

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

2）工作面頂底板煤巖存在嚴重的拉破壞和剪切破壞，工作面兩側的煤壁前方處于塑性破壞區域分布范圍達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）開采時沿傾向工作面前方煤體的塑性區寬度基本一致，影響范圍在工作面前方5～10 m。同時工作面的兩側影響范圍較中部超前5 m，并且兩側煤體局部出現塑性屈服破壞后的峰后狀態恢復（三維應力處于煤體屈服極限以內），破壞性質基本屬于剪切破壞。在工作面后方，隨著遠離工作面，兩側實體煤邊緣的塑性破壞區出現峰后狀態恢復現象。

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