浅埋煤层向沟开采的覆岩移动特征数值模拟分析

孙永强

（运城职业技术学院，山西 运城 044000）

我国西北矿区冲沟纵横交错的地形地貌特征[1-3]，使井下工作面矿压显现新的特征，造成不利影响。纵观国内外研究成果，地表起伏对矿压显现的影响已有较为系统的研究[4-12]，但主要限于冲沟下浅埋煤层的背沟开采，对向沟开采覆岩移动特征仍需进行研究。本文采用程序UDEC2.0，模拟向沟开采覆岩垮落动态过程，得出覆岩垮落特征。本次模拟以纳林庙煤矿二号井煤系地层为模型（主要为侏罗系地层），上覆第三纪岩层及第四纪松散层，煤厚3.18～4.50 m、平均4.12 m。基岩厚度84.5 m，上覆黄土层厚5～40 m。井田内的哈业乌苏沟坡体角度约30°，垂深81.5 m。

1 数值模型建立

1）地质条件及煤岩参数：采用UDEC数值模拟软件，模型沿煤层走向剖面，工作面沿煤层倾向布置，走向长310 m，煤层采高4 m，基本顶厚度15 m，模型内各岩层厚度和力学参数，如表1所示。

表1 岩层厚度和力学参数

2）实验方案：设计3个模拟模型方案，如表2所示。

表2 模拟方案设计

3）测线布置：测线布置情况，见图1，设置两条应力监测线，分别位于基本顶上方的覆岩内部和基本顶内部。

图1 测线布置情况

2 顶板跨落特征的数值模拟分析

1）未进入坡体段浅埋煤层开采的顶板垮落特征：图2-a为未采动模型。工作面推进20 m时，直接顶发生初次垮落，见图2-b，垮落高度约4 m。随后的在工作面推进过程中直接顶随采随冒。工作面推进40 m时，基本顶发生初次来压步距40 m，由于少量纵向裂隙与地表贯通，地表形成微小的台阶下沉，见图2-c。工作面推进60 m时，基本顶发生首次周期，来压步距约20 m，见图2-d。

图2 未进入坡体时浅埋煤层开采顶板垮落特征

2）进入坡体后浅埋煤层向沟开采的顶板垮落特征：工作面推进60 m后开始进入冲沟坡体。工作面推进70 m时，工作面第二次周期来压步距为10 m，导致顶板破坏较重，更多纵向裂隙发育、贯通至地表，甚至形成一定的地表切落，且在坡体上部左侧出现拉伸裂缝，见图3-a。工作面推进80 m时，第三次周期来压，顶板破坏更为严重，拉伸裂缝增大，成“V”字形；采动坡体有沿全厚切落的趋势，见图3-b。工作面推进90 m时，见图3-c，此时覆岩内裂隙与拉伸裂隙贯通，采动坡体沿全厚切落，坡体底部出现滑移区，坡体发生顺坡滑移。

图3 冲沟坡体下浅埋煤层向沟开采顶板垮落特征

3）进入坡体前后的工作面顶板垮落特征对比分析：①由模拟知：未进入坡体时，顶板弯曲下沉并不明显，覆岩基本处于裂隙带和冒落带中。进入坡体后，覆岩情况发生变化，伴随着覆岩内的裂痕显著发育，来压时覆岩破坏很严重，甚至地表出现了明显的台阶下沉现象。进入坡体后，即向沟开采的过程中，坡体上部左侧出现明显的拉伸裂缝；工作面推进至坡体底部时，拉伸裂缝与覆岩内很发育的纵向裂缝贯通，坡体发生顺坡滑移。②工作面基本顶的初次来压步距40 m，第一次周期来压步距20 m，第二次周期来压步距10 m；第二次周期来压步距仅是第一次周期来压步距的一半。由实验知，第一次周期来时工作面未进入坡体，而第二次周期来压时工作面已完全进入了坡体；工作面进入坡体后即向沟开采时，来压步距小于未进入坡体时的来压步距。

4）工作面的支承压力变化特征：①图4为基本顶初次来压时煤壁附近各测点随工作面推进距离变化曲线；测点13位于煤壁后3 m，测点14位于煤壁正上方，测点15位于煤壁前3 m。但由图4可知，当工作面推进40 m时基本顶初次来压，此时煤壁后方的测点13的垂直应力值3.51 MPa，煤壁正上方的测点14的垂直应力4.5 MPa，煤壁前方的测点15的垂直应力4.86 MPa。可见工作面未进入坡体时，前支承应力峰值位于煤壁前侧，煤壁后支承压力相对较小。②工作面推进60 m时，已进入冲沟坡体内，基本顶第一次周期来压，见图5。此时位于煤壁后方3 m处的测点19出现峰值，3.3 MPa，煤壁正上方的测点20的垂直应力峰值4.40 MPa，煤壁前方3 m的测点21的垂直应力峰值4.33 MPa。对比图4初次来压可知，第一次周期来压时，工作面覆岩内的支承压力分布有所变化：煤壁前3 m处与煤壁处的支承压力基本相同，说明煤壁上方支承应力更加集中，前支承压力峰值应该位于煤壁前方3 m以内。而初次来压时（由图4知）峰值位于煤壁前3 m以外，初步推测，工作面进入坡体后，前支承压力峰值向煤壁后方移动了，前支承压力影响区域也向煤壁后方移动了。③工作面推进70 m时，第二次周期来压，步距减小到10 m。见图6，此时位于煤壁后方3 m的测点22的垂直应力曲线出现峰值3.75 MPa，煤壁正上方的测点23的垂直应力出现峰值5.42 MPa，煤壁前方3 m的测点24的垂直应力出现峰值2.53 MPa。相比第一次周期来压，煤壁正上方支承压力已大于煤壁前方3 m处的支承压力，煤壁处应力更加集中；煤壁后方3 m处覆岩支承压力也大于煤壁前3 m处的支承压力。可见，第二次周期来压（与第一次周期来压相比），前支承压力峰值及影响范围进一步向煤壁后方移动，由于此时来压强度大，且前支承应力峰值在煤壁附近，导致工作面支护难度增加，顶板较易破碎，容易出现冒顶及支架滑到事故。④上述三种来压情况可知：随着工作面推进至冲沟坡体内，前支承压力影响区域及峰值渐向煤壁后方移动。这是因为工作面是沿向沟方向推进，坡体一侧临空，在采动影响下，坡体有向右侧翻转的趋势；这就导致工作面进入坡体内部后，前支承应力峰值及影响范围渐向煤壁后方发生移动。

图4 初次来压垂直应力变化曲线

图5 第一次周期来压煤壁附近测点垂直应力变化曲线

图6 第二次周期来压煤壁附近测点随工作面推进距离变化曲线

3 结束语

①工作面向沟推进中，坡体地表出现拉伸裂缝，随工作面的推进，拉伸裂缝渐与覆岩内纵向裂缝贯通，采动坡体发生顺坡滑移。②工作面进入坡体后，来压步距小于未进入坡体时来压步距。③工作面进入坡体后，前支承压力峰值及影响区域向煤壁后方发生移动，导致煤壁处及工作面支护区域应力集中程度增大，从而易引起顶板破碎程度增大，给工作面的支护带来很大难度，容易造成煤壁片帮、冒顶等事故。

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