倾斜煤层工作面开采围岩的稳定性研究

郝 宇

（西山煤电股份有限公司 屯兰矿，山西 古交 030206）

1 概述

经国内学者的现场和理论研究发现，倾斜煤层在综采条件下其顶板垮落和矿压特征不同于近水平煤层，顶煤和老顶的破坏特征及来压特征具有一定的特殊性[1、2]。因此，深入研究倾斜煤层开采时的稳定性特征显得非常重要。

本文运用大型三维数值计算软件，对某大型煤矿倾斜煤层长壁工作面开采时围岩的应力、位移、破坏区域进行了研究。分析了应力场、位移场、破坏区域分布特征。研究结果可给同类条件下矿井的支护设计和生产提供参考。

2 数值计算模型

为能准确地对现场进行模拟研究，根据矿井实际条件，参照原有地质资料，通过井下钻孔取芯，并在岩石力学实验室精确测量岩层的物理力学参数，得出了煤层附近岩层的物理力学参数，如表1所示。

表1 岩石物理力学参数

数值计算采用国际上著名的大型岩土数值计算软件Flac3D。为能真实反映该矿不同开采工艺时工作面附近煤层的稳定性状态，根据该矿井的生产条件和数值计算的建模原则[6]，建立了数值计算模型，见图1。整个模型的长100 m，宽20 m，高103 m，煤层倾角25°。模型除上边界外的五个边界面的法向位移固定，上边界施加3 MPa的均布压力，以模拟上覆岩层的自重，并施加重力场。

图1 数值计算模型图

图1中深蓝色岩层为煤层，粉红色岩层为底板岩层，浅蓝色岩层为直接顶岩层，绿色岩层为老顶岩层。老顶岩层、直接顶岩层、煤层、底板岩层的倾角均为25°，并设这4层岩层均为等厚度岩层。本次计算中，初始应力场为自重应力场，计算过程中先进行初始应力场的平衡，随后实施工作面开采的施工模拟。

3 计算结果分析

由图2知，铅垂应力分布基本和静水压力一致，在同一水平线上沿岩层倾向正方向铅垂应力略微增大。

图2 初始铅垂应力云图

工作面正常推进中，工作面附近围岩的应力场、位移场的演变，以及围岩破坏程度，对于工作面的稳定性具有关键性的影响作用。为了清楚认识工作面正常推进过程中围岩的应力场、位移场、破碎区的演化规律，分别对该矿倾斜工作面开采进行应力位移分析和顶煤破坏程度分析。

按前面设计方案计算完成后，特绘制了围岩的铅锤应力云图，见图3；水平应力云图，见图4；铅锤位移云图，见图5；水平位移云图，见图6；围岩破坏区域分布图，见图7。

图3 工作面围岩铅垂应力云图

图4 工作面围岩水平应力云图

图5 工作面围岩铅垂位移云图

图6 工作面围岩水平位移云图

图7 工作面围岩破坏区域分布

3.1 工作面围岩的应力特征

根据计算结果得知，该矿倾斜工作面正常推进中，最大铅垂应力在8MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平应力在4.8 MPa左右，其分布也集中在工作面前上方的煤体深部。

3.2 工作面围岩的位移特征

最大铅垂位移出现在控顶距的末段顶煤处，其值约在0.17 m左右，最大水平位移出现在工作面煤壁上，其值约在0.07 m左右。考虑到数值计算连续介质软件的缺陷，在变形数值上，现场值要大约计算结果；但在位移分布规律上，数值计算和现场实测趋于一致。

3.3 工作面围岩的破坏区域特征

根据工作面煤层的破坏情况可知，工作面前方煤壁形成了一定深度的破坏区，基本都属于剪切破坏；通常顶煤的破坏深度略大于采高煤层，控顶区域内的顶煤全部破坏，基本属于剪切破坏和拉伸破坏的复合破坏模式。造成这种破坏的原因是：工作面推进中，当顶煤接近工作面时首先发生剪切破坏；当工作面推过时，立即发生了拉伸破坏；这种先破坏的岩体破坏过程长、破坏次数多，破坏复合和叠加加强了顶煤的破坏程度，有利于放煤。

4 结束语

本文利用大型岩土数值计算软件，分析了某大型煤矿倾斜长壁工作面围岩的应力场、位移场、破坏区分布特征，探讨了工作面开采时围岩的稳定性状况，得到有益认识。

1）该矿倾斜工作面正常推进中，最大铅垂应力在8 MPa左右，其分布在工作面前上方深部；最大水平应力在4.8 MPa左右，其分布也集中在工作面前上方的煤体深部。

2）该矿倾斜工作面正常推进中，最大铅垂位移出现在控顶距的末段顶煤处，其值约在0.17 m左右；最大水平位移出现在工作面煤壁上，其值约在0.07m左右。

3）工作面前方煤壁形成了一定深度的破坏区，基本都属于剪切破坏；通常顶煤的破坏深度略大于采高煤层，控顶区域内的顶煤全部破坏，基本属于剪切破坏和拉伸破坏的复合破坏模式。

[1]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社,2002.

[2]钱铭高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.