大傾角松軟厚煤層放頂煤開采覆巖移動規律研究

王文俊

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

煤炭在我國未來經濟發展中仍占據著重要的地位，已有的煤炭資源儲量統計數據表明，大傾角、急傾斜厚煤層約占總儲量的14.5%。綜放開采技術在國內得到廣泛的應用，但是對于地質條件比較復雜的煤層還存在很多關鍵技術問題。由于工作面傾角較大，煤層厚度變化較大，工作面主要存在支架和刮板運輸機容易出現上竄或下滑、支架歪倒、采煤機滑倒等問題。一旦控制不好，就會減慢工作面推進速度，增大工作量，增加危險因素，同時煤炭資源回收率低等問題。可見，合理有效地解決大傾角松軟厚煤層綜放開采的一系列關鍵技術問題，是保證大傾角松軟厚煤層綜放開采實現安全高效回采的前提和保證[1-3]。因此，需針對大傾角松軟厚煤層研究其工作面開采過程中覆巖移動規律，為工作面礦壓管控提供依據。

1 工程概況

龐龐塔煤礦位于山西省臨縣，屬于霍州煤電集團。9號煤層上距5號煤層平均50.63 m。煤層厚度為10.8～12.4 m，平均11.8 m，傾角34～48°，平均35°，普氏系數f為1，屬于大傾角松軟特厚煤層，煤層結構復雜，一般含夾矸1～4層，夾矸厚度0.10～0.38 m，夾矸多為炭質泥巖，煤層頂底板特征如表1所示。所采工作面9-101工作面南部為井田邊界，北部為西區暗斜井系統，東部為9-700工作面，西部為9-103工作面，上部為5號煤5上-108、5-101采空區。9-101工作面采用放頂煤開采方法，根據工作面的具體地質條件及設備的配套使用效果，確定工作面采高為3.2 m，放煤8.6 m、一采一放，采放比為1∶2.69。

表1 煤層頂底板特征

2 大傾角綜放開采覆巖運移規律理論分析

大傾角松軟煤層在放頂煤開采過程中，受到煤層傾角、煤層自重、煤巖相互作用力等多種因素影響，工作面煤層采出后，上方煤巖體的變形和破壞與近水平煤層有著顯著的不同。水平煤層開采時，上覆巖層受到自重和豎向載荷的影響，通過組合梁板結構將載荷傳遞到兩側區段煤柱上，上覆巖層平穩下沉，當頂板受到應力大于頂板巖石極限強度時，即發生斷裂垮落。

而大傾角煤層開采時，頂板巖層在自重作用下發生彎曲變形，由于受到巖層傾角的分力作用，頂板巖層垮落后朝著采空區下山方向堆積，因此覆巖破壞極易發生在采空區上山方向處。工作面采出后，由于頂板垮落堆積于下部工作面采空區，因此垮落矸石對頂板也起到支撐作用，整個覆巖結構由于受到煤柱和垮落巖石的支撐，形成了“廠”形彎曲結構移動拱，如圖1所示。

隨著工作面的不斷推進，傾斜巖層會不斷達到極限跨距，直至斷裂垮落，向采空區下部進行垮落堆積，這部分垮落巖層可稱為“下位巖層”，其上方巖層由于受到支撐作用，會平穩彎曲下沉，這部分巖層可稱為“上位巖層”，保證上位巖層中的砌體拱穩定可以控制上方巖層變形破壞。

3 覆巖移動規律數值模擬

利用FLAC3D有限元分析軟件，以龐龐塔礦9號煤層工作面為工程背景建立數值分析模型，根據換算實際工作面埋深條件施加模型應力及位移邊界，產生初始地應力，模型如圖2所示。待上下巷道和切眼貫通后，對模型工作面進行分步開挖，模擬工作面推進過程中頂板巖層位移及應力變化規律。位移水平測線布置于模型頂板巖層至煤層距離分別為2 m、12 m、32 m、50 m中，每條測線布置10個觀測點，垂直測線間隔20 m，共布置10條。應力水平測線共布置3條，每條布置測點10個，分別布置于煤層中、直接頂泥質灰巖中、老頂砂質泥巖中，監測工作面推進過程中水平位移、豎直位移及垂直應力變化規律。

圖2 數值分析模型

1) 位移變化規律。在工作面開采初期，推進到20 m時測線位移變化如圖3所示，頂板巖層垂直位移較小，主要發生水平位移，上覆巖層的垂直位移和水平位移都表現為從下而上逐漸減小的趨勢，未采煤層上方位移明顯小于采空區上方的位移。

工作面推進到60 m時，位移變化規律如圖4所示。由圖可知，相較于推進20 m而言，兩種位移量都發生了增長，而垂直位移增長明顯快于水平位移，距離采空區越近，位移量越大，下位巖層相較于上位巖層位移較大。

圖3 工作面推進20 m時測線位移變化規律

圖4 工作面推進60 m時測線位移變化規律

工作面推進到130 m時，位移變化規律如圖5所示。由圖可知，隨著工作面的推進，垂直位移繼續增大，下位巖層垂直位移明顯大于上位巖層；由于頂煤的放出，采空區空間不斷增大，上覆巖層向采空區傾斜，導致水平位移出現負值。

2) 應力變化規律。經過處理分析沿工作面開采方向距開切眼不同距離處應力分布情況，選取每條測線中的測點3、6、9，分別位于距離工作面開切眼50 m、100 m、150 m處，進行繪圖得到圖6。

圖5 工作面推進130 m時測線位移變化規律

圖6 煤層及頂板巖層支承壓力分布

由圖6(a)可知，受采動影響在工作面前方煤體中形成超前支承壓力。工作面前方5 m范圍內支承壓力小于原巖應力，稱為減壓區；工作面前方5～40 m范圍內支承壓力大于原巖應力，稱為增壓區，工作面前方40 m以外支承壓力趨近于原巖應力，稱為穩壓區。增壓區的應力峰值位于工作面10 m處，應力集中系數為1.8。

由圖6(b)可知，工作面前方10 m范圍內為減壓區；工作面前方5～40 m范圍內為增壓區，工作面前方42 m以外為穩壓區。增壓區的應力峰值位于工作面12 m處，應力集中系數為1.5。

由圖6(c)可知，工作面前方15 m范圍內為減壓區；工作面前方15～46 m范圍內為增壓區，工作面前方46 m以外為穩壓區。增壓區的應力峰值位于工作面15 m處，應力集中系數為1.4。

綜上所述，煤體支承壓力分布范圍在工作面前方40 m。從圖6中可以看出，煤層應力峰值達到21 MPa，直接頂應力峰值為20 MPa，老頂應力峰值為18 MPa。可以得到支承壓力從煤層到老頂表現出由大到小的趨勢，分布范圍也逐漸擴大，支承壓力峰值點也逐漸遠離煤壁，應力集中系數也逐漸減小。

4 結 語

針對大傾角松軟煤層開采后覆巖移動規律，采用理論分析和數值模擬的方式研究了工作面煤層采出后頂板活動規律，位移及應力分布規律，得到如下結論：

1) 大傾角煤層采出后，覆巖破壞范圍主要為采空區偏上山方向，直接頂被拉斷，采空區上方形成梁結構，由于下部垮落矸石充填對頂板起到支撐作用，整個采場覆巖形成“廠”形彎曲結構移動拱。

2) 工作面推進到20 m時，頂板巖層垂直位移較小，主要發生水平位移；推進到60 m時，垂直位移增長明顯快于水平位移；推進到130 m時，由于頂煤的放出，采空區空間不斷增大，上覆巖層向采空區傾斜，導致水平位移出現負值。

3) 煤層的超前支承壓力峰值點在距離煤壁約10 m處，超前支承壓力分布范圍約40 m。