大傾角煤層開采覆巖移動及應力變化數值模擬分析

趙龍飛

（太原煤氣化龍泉能源發展有限公司，山西 太原 030303）

在我國的煤炭開采中，大傾角厚煤層主要采用大采高綜采的形式進行開采作業，由于煤層的傾角較大，對于支架的穩定性造成影響，容易引起滑架、倒架、煤壁片幫、工作面冒頂等事故，對煤礦安全生產造成威脅[1]。在進行大傾角煤層開采時，對覆巖的移動規律及應力變化進行分析，可以為大采高綜采的高效應用提出技術參考，保證工作面安全高效開采。

1 大傾角煤層傾斜方向模型的建立

在大傾角煤層的開采中，由于受到煤層傾角的影響，工作面頂板的破壞失穩更多的發生在傾斜方向上，傾斜方向的覆巖變化較大。采用UDEC軟件離散元分析的方式對大傾角厚煤層傾斜方向的覆巖移動及應力變化進行分析。傾斜方向覆巖的壓力變化與水平工作面相比影響最大因素是煤層傾角，在不同的傾斜角度下，工作面中上部的覆巖壓力直接作用于采空區，造成頂板的破壞[2]。隨著煤層傾角的增加，則受到的壓力作用越大，容易造成頂板垮落區域也隨之增加，在工作面下部，則頂板的穩定性較好，較少受到破壞。

采用UDEC對覆巖的移動及應力變化進行分析，建立數值分析的模型，依據煤礦的賦存條件，設定煤層的分布及各層的厚度，設定模型高度為128 m，煤層的傾斜角度為29°，工作面斜面長為140 m，預留一定長度消除邊界效應的影響，傾斜模型上覆巖層的壓力作用為12.5 MPa。設定下部的邊界為底板，可以沿水平方向移動，垂直方向固定約束，兩側邊界為煤巖層，可以沿垂直方向移動，水平方向固定約束，由此對覆巖的移動及應力變化進行數值模擬[3]。

2 大傾角煤層開采覆巖移動及應力變化數值模擬

2.1 工作面位移分布模擬分析

對工作面傾斜方向的頂板移動規律進行模擬，得到不同位置的位移情況（如圖1、圖2所示）。

圖1 工作面頂底板垂直位移分布

圖2 工作面頂底板水平位移分布

從圖1中可以看出，大傾角煤層開采時頂板的垂直位移分布，在工作面的上部位置，頂板的位移量較大，且在垂直方向上的位移量大，這是由于在工作面的中部位置處沒有邊界煤柱的支撐，使得垂直位移大于邊界處的位移；沿垂直方向的位移量隨工作面上部到下部逐漸遞減，并且在底板的位置上也存在一定的位移，說明在底板位置處存在著起鼓現象[4]；從圖2中可以看出，大傾角煤層開采時頂板的水平位移分布，水平方向的位移在工作面上部位移量最大，在工作面的中部位置水平位移量逐漸減小，沿著下部水平位移量逐漸降低。

通過對垂直方向、水平方向的位移分析可知，由于受煤層傾角的影響，覆巖的移動與頂板的移動規律一致，與水平開采時的移動規律有所不同，在工作面的中部及上部位置位移量較大，而在下部位置的位移量較小位移場的影響范圍較小。

2.2 工作面應力分布模擬分析

對工作面傾斜方向的頂板的應力變化進行模擬，得到不同位置處的應力分布情況（如圖3、圖4所示）。

圖3 工作面頂底板垂直應力分布

圖4 工作面頂底板水平應力分布

從圖3中可以看出，大傾角煤層開采時頂板的垂直應力分布，在工作面的兩端位置處，應力的值比較大，在工作面的上部應力等值線呈拱形分布的結構，且上部凸起的部分較高，這說明在工作面的上部頂板處，應力值釋放較大，影響范圍大，且在回風巷附近的底板位置處出現一定的應力集中，容易加劇巷道底板的底鼓現象[5]；由于煤層傾角的存在，使得巖層的重量沿傾斜方向作用于頂板上，造成工作面下部的應力集中，且在下部頂板上形成砌體結構，頂板的壓力不能及時釋放，對于回風巷及端頭位置應加強支護，避免應力集中造成的破壞；從圖4中可以看出，大傾角煤層開采時頂板的水平應力分布，在工作面的上部位置，水平應力值較大，出現應力集中的現象，在工作面的下部，水平應力值較低。在整個工作面內，應力線同樣呈現拱形的結構，拱形的線條震蕩，相互穿插，說明水平方向的應力場不穩定。在工作面回風巷位置處的水平應力值較大，需要對回風巷位置處加強支護[6]。

通過上述的分析可知，在大傾角煤層開采時，工作面上部受到的應力值較大，容易造成頂板的破壞而釋放應力作用，但在下部單頂板內容易造成應力集中的現象；工作面的回風巷位置處應力集中較大，需要對巷道進行加強支護，提高巷道的穩定性。

3 結語

在進行傾斜開采時，工作面的上部及中部位置位移量較大，而在底部位置的位移量較小，覆巖的移動呈現不對稱性；工作面的下部位置由于頂板的穩定砌體結構使得應力不能有效的釋放，應力值較大，具有較大的動載系數，而在上部位置應力得到有效的釋放，具有較小的動載系數；在工作面的回風巷位置處，存在著應力集中的現象，應對回風巷位置處及端頭位置加強支護，避免出現支部穩定性不足造成的安全隱患。依據覆巖的移動及應力變化，可以對大傾角厚煤層大采高綜采時優化支護作業，減少頂板的應力及位移變化，提高巷道的穩定性，保證煤礦的安全開采。