傾斜煤層工作面開采圍巖的穩(wěn)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(jīng)國內(nèi)學(xué)者的現(xiàn)場和理論研究發(fā)現(xiàn)，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?shù)钠茐奶卣骷皝韷禾卣骶哂幸欢ǖ奶厥庑訹1、2]。因此，深入研究傾斜煤層開采時(shí)的穩(wěn)定性特征顯得非常重要。

本文運(yùn)用大型三維數(shù)值計(jì)算軟件，對某大型煤礦傾斜煤層長壁工作面開采時(shí)圍巖的應(yīng)力、位移、破壞區(qū)域進(jìn)行了研究。分析了應(yīng)力場、位移場、破壞區(qū)域分布特征。研究結(jié)果可給同類條件下礦井的支護(hù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。

2 數(shù)值計(jì)算模型

為能準(zhǔn)確地對現(xiàn)場進(jìn)行模擬研究，根據(jù)礦井實(shí)際條件，參照原有地質(zhì)資料，通過井下鉆孔取芯，并在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室精確測量巖層的物理力學(xué)參數(shù)，得出了煤層附近巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算采用國際上著名的大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件Flac3D。為能真實(shí)反映該礦不同開采工藝時(shí)工作面附近煤層的穩(wěn)定性狀態(tài)，根據(jù)該礦井的生產(chǎn)條件和數(shù)值計(jì)算的建模原則[6]，建立了數(shù)值計(jì)算模型，見圖1。整個(gè)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(gè)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(shù)值計(jì)算模型圖

圖1中深藍(lán)色巖層為煤層，粉紅色巖層為底板巖層，淺藍(lán)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(shè)這4層巖層均為等厚度巖層。本次計(jì)算中，初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，計(jì)算過程中先進(jìn)行初始應(yīng)力場的平衡，隨后實(shí)施工作面開采的施工模擬。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2知，鉛垂應(yīng)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(yīng)力略微增大。

圖2 初始鉛垂應(yīng)力云圖

工作面正常推進(jìn)中，工作面附近圍巖的應(yīng)力場、位移場的演變，以及圍巖破壞程度，對于工作面的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵性的影響作用。為了清楚認(rèn)識工作面正常推進(jìn)過程中圍巖的應(yīng)力場、位移場、破碎區(qū)的演化規(guī)律，分別對該礦傾斜工作面開采進(jìn)行應(yīng)力位移分析和頂煤破壞程度分析。

按前面設(shè)計(jì)方案計(jì)算完成后，特繪制了圍巖的鉛錘應(yīng)力云圖，見圖3；水平應(yīng)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(qū)域分布圖，見圖7。

圖3 工作面圍巖鉛垂應(yīng)力云圖

圖4 工作面圍巖水平應(yīng)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(qū)域分布

3.1 工作面圍巖的應(yīng)力特征

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得知，該礦傾斜工作面正常推進(jìn)中，最大鉛垂應(yīng)力在8MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)在工作面煤壁上，其值約在0.07 m左右?？紤]到數(shù)值計(jì)算連續(xù)介質(zhì)軟件的缺陷，在變形數(shù)值上，現(xiàn)場值要大約計(jì)算結(jié)果；但在位移分布規(guī)律上，數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測趨于一致。

3.3 工作面圍巖的破壞區(qū)域特征

根據(jù)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(qū)，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(qū)域內(nèi)的頂煤全部破壞，基本屬于剪切破壞和拉伸破壞的復(fù)合破壞模式。造成這種破壞的原因是：工作面推進(jìn)中，當(dāng)頂煤接近工作面時(shí)首先發(fā)生剪切破壞；當(dāng)工作面推過時(shí)，立即發(fā)生了拉伸破壞；這種先破壞的巖體破壞過程長、破壞次數(shù)多，破壞復(fù)合和疊加加強(qiáng)了頂煤的破壞程度，有利于放煤。

4 結(jié)束語

本文利用大型巖土數(shù)值計(jì)算軟件，分析了某大型煤礦傾斜長壁工作面圍巖的應(yīng)力場、位移場、破壞區(qū)分布特征，探討了工作面開采時(shí)圍巖的穩(wěn)定性狀況，得到有益認(rèn)識。

1）該礦傾斜工作面正常推進(jìn)中，最大鉛垂應(yīng)力在8 MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平應(yīng)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(jìn)中，最大鉛垂位移出現(xiàn)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(xiàn)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(qū)，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(qū)域內(nèi)的頂煤全部破壞，基本屬于剪切破壞和拉伸破壞的復(fù)合破壞模式。

[1]蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)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(yè)大學(xué)出版社，2003.