大倾角煤层开采覆岩移动及应力变化数值模拟分析

赵龙飞

（太原煤气化龙泉能源发展有限公司，山西 太原 030303）

在我国的煤炭开采中，大倾角厚煤层主要采用大采高综采的形式进行开采作业，由于煤层的倾角较大，对于支架的稳定性造成影响，容易引起滑架、倒架、煤壁片帮、工作面冒顶等事故，对煤矿安全生产造成威胁[1]。在进行大倾角煤层开采时，对覆岩的移动规律及应力变化进行分析，可以为大采高综采的高效应用提出技术参考，保证工作面安全高效开采。

1 大倾角煤层倾斜方向模型的建立

在大倾角煤层的开采中，由于受到煤层倾角的影响，工作面顶板的破坏失稳更多的发生在倾斜方向上，倾斜方向的覆岩变化较大。采用UDEC软件离散元分析的方式对大倾角厚煤层倾斜方向的覆岩移动及应力变化进行分析。倾斜方向覆岩的压力变化与水平工作面相比影响最大因素是煤层倾角，在不同的倾斜角度下，工作面中上部的覆岩压力直接作用于采空区，造成顶板的破坏[2]。随着煤层倾角的增加，则受到的压力作用越大，容易造成顶板垮落区域也随之增加，在工作面下部，则顶板的稳定性较好，较少受到破坏。

采用UDEC对覆岩的移动及应力变化进行分析，建立数值分析的模型，依据煤矿的赋存条件，设定煤层的分布及各层的厚度，设定模型高度为128 m，煤层的倾斜角度为29°，工作面斜面长为140 m，预留一定长度消除边界效应的影响，倾斜模型上覆岩层的压力作用为12.5 MPa。设定下部的边界为底板，可以沿水平方向移动，垂直方向固定约束，两侧边界为煤岩层，可以沿垂直方向移动，水平方向固定约束，由此对覆岩的移动及应力变化进行数值模拟[3]。

2 大倾角煤层开采覆岩移动及应力变化数值模拟

2.1 工作面位移分布模拟分析

对工作面倾斜方向的顶板移动规律进行模拟，得到不同位置的位移情况（如图1、图2所示）。

图1 工作面顶底板垂直位移分布

图2 工作面顶底板水平位移分布

从图1中可以看出，大倾角煤层开采时顶板的垂直位移分布，在工作面的上部位置，顶板的位移量较大，且在垂直方向上的位移量大，这是由于在工作面的中部位置处没有边界煤柱的支撑，使得垂直位移大于边界处的位移；沿垂直方向的位移量随工作面上部到下部逐渐递减，并且在底板的位置上也存在一定的位移，说明在底板位置处存在着起鼓现象[4]；从图2中可以看出，大倾角煤层开采时顶板的水平位移分布，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渐减小，沿着下部水平位移量逐渐降低。

通过对垂直方向、水平方向的位移分析可知，由于受煤层倾角的影响，覆岩的移动与顶板的移动规律一致，与水平开采时的移动规律有所不同，在工作面的中部及上部位置位移量较大，而在下部位置的位移量较小位移场的影响范围较小。

2.2 工作面应力分布模拟分析

对工作面倾斜方向的顶板的应力变化进行模拟，得到不同位置处的应力分布情况（如图3、图4所示）。

图3 工作面顶底板垂直应力分布

图4 工作面顶底板水平应力分布

从图3中可以看出，大倾角煤层开采时顶板的垂直应力分布，在工作面的两端位置处，应力的值比较大，在工作面的上部应力等值线呈拱形分布的结构，且上部凸起的部分较高，这说明在工作面的上部顶板处，应力值释放较大，影响范围大，且在回风巷附近的底板位置处出现一定的应力集中，容易加剧巷道底板的底鼓现象[5]；由于煤层倾角的存在，使得岩层的重量沿倾斜方向作用于顶板上，造成工作面下部的应力集中，且在下部顶板上形成砌体结构，顶板的压力不能及时释放，对于回风巷及端头位置应加强支护，避免应力集中造成的破坏；从图4中可以看出，大倾角煤层开采时顶板的水平应力分布，在工作面的上部位置，水平应力值较大，出现应力集中的现象，在工作面的下部，水平应力值较低。在整个工作面内，应力线同样呈现拱形的结构，拱形的线条震荡，相互穿插，说明水平方向的应力场不稳定。在工作面回风巷位置处的水平应力值较大，需要对回风巷位置处加强支护[6]。

通过上述的分析可知，在大倾角煤层开采时，工作面上部受到的应力值较大，容易造成顶板的破坏而释放应力作用，但在下部单顶板内容易造成应力集中的现象；工作面的回风巷位置处应力集中较大，需要对巷道进行加强支护，提高巷道的稳定性。

3 结语

在进行倾斜开采时，工作面的上部及中部位置位移量较大，而在底部位置的位移量较小，覆岩的移动呈现不对称性；工作面的下部位置由于顶板的稳定砌体结构使得应力不能有效的释放，应力值较大，具有较大的动载系数，而在上部位置应力得到有效的释放，具有较小的动载系数；在工作面的回风巷位置处，存在着应力集中的现象，应对回风巷位置处及端头位置加强支护，避免出现支部稳定性不足造成的安全隐患。依据覆岩的移动及应力变化，可以对大倾角厚煤层大采高综采时优化支护作业，减少顶板的应力及位移变化，提高巷道的稳定性，保证煤矿的安全开采。