第33卷第6期 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2014年6月

of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2014 Vol.33 No.6 Journal

文章編號(hào)：1008-0562(2014)06-0736-05 doi:10.3969/j.issn.1008-0562.2014.06.004

大傾角綜采工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律

張春雷1，張世青1，趙健健1，李增峰1,2，馬 越1

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2. 新疆焦煤有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830025）

摘 要：為研究大傾角綜采工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，分別模擬了煤層開(kāi)采過(guò)程中不同推進(jìn)距離的圍巖垂直應(yīng)力分布，以及頂?shù)装宕怪蔽灰�，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)液壓支架工作阻力沿推進(jìn)方向和傾斜方向的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步分析了大傾角工作面覆巖運(yùn)移特征.結(jié)果表明：大傾角煤層開(kāi)采過(guò)程中，沿工作面傾斜方向垂直應(yīng)力和位移具有非對(duì)稱性，中部和上部覆巖位移量和垂直應(yīng)力釋放范圍均較下部大，覆巖活動(dòng)較為劇烈.研究結(jié)論為工作面支架安全管理提供了依據(jù).

關(guān)鍵詞：大傾角煤層；FLAC3D數(shù)值模擬；覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律；非對(duì)稱性；工作面安全管理 中圖分類號(hào)：TD 323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Law of overburden strata above longwall coal mining

face in high inclined seam based on FLAC3D

ZHANG Chunlei1, ZHANG Shiqing1, ZHAO Jianjian1, LI Zengfeng1,2, MA Yue1

（1. School of Resources and Safety Engineering, China University of Ming & Technology, Beijing 100083,

China; 2. Xin Jiang Coking Coal Group CO,.LTD. Wulumuqi 830025,China）

Abstract: For the study of overburden strata movement law in high inclined seam, this paper established the model based on FLAC3D, and monitored the vertical stress and displacement of roof and floor in 25221 Large-mining-height in different forward distance, and then obtained the overburden strata space activity law by monitoring and analyzing the shield working resistance of the high inclined seam workface. The results showed that during the mechanized strike longwall coal process in the high inclined seam, the movement of overburden strata in top area was more active than the low area along the inclined direction of the coal mining face. The research conclusion provides basis for the safety management of hydraulic support.

Key words: high inclined seam; FLAC3D numerical simulation; overburden strata activity law; asymmetry; Safety management of workface

0 引 言

大傾角煤層是指傾角在35o～55o之間的煤層.中國(guó)大傾角和急傾斜煤層大概占有15%～20%的儲(chǔ)量，其年產(chǎn)量約占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的10%.由于煤層傾角大，工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與一般煤層不同，在開(kāi)采大傾角煤層過(guò)程中出現(xiàn)了許多由于開(kāi)采方法和圍巖問(wèn)題造成的安全事故，加之隨著埋藏條件較好煤層的減少，解決大傾角工作面圍巖運(yùn)移、變形和破壞規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)大傾角煤層的安全高效開(kāi)采具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值[1-5].

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

新疆焦煤集團(tuán)2130煤礦礦井主要開(kāi)采煤層屬

下侏羅紀(jì)八道灣組煤層，煤種為優(yōu)質(zhì)煉焦用煤，煤巖層傾角在35o～52°之間，井田煤層為單斜構(gòu)造，走向近東西，向南傾斜.其目前開(kāi)采的25 221工作面位于二采區(qū)5#煤層，工作面開(kāi)采上部以+2 120 m水平為界，下部以+2 047 m水平為界，東以15#溝保護(hù)煤柱為界，西以5號(hào)煤層尖滅帶為界，東西走向長(zhǎng)約2 138 m，南北寬114 m.工作面范圍內(nèi)總體構(gòu)造為單斜構(gòu)造，走向近東西，向南傾斜，井田內(nèi)煤層傾角一般在40o～46o之間，平均角度43o，煤

收稿日期：2013-09-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（973）；（2013CB227900）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新科技訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（201311413004） 作者簡(jiǎn)介：張春雷（1989-），男，山東 泰安人，碩士研究生，主要從事礦山壓力及其控制方面的研究. 本文編校：張 凡

第6期 張春雷，等：大傾角綜采工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律 層傾角自東向西逐漸增大.工作面直接頂為2.6 m的粗砂礫巖，灰白色鈣質(zhì)膠結(jié)，遇水易軟化.老頂為16.2 m厚粗砂礫巖，中間夾雜有沙礫巖，巖石單向抗壓強(qiáng)度為79.9～100.2 MPa，為堅(jiān)硬頂板.直接底為1.5 m厚灰黑色粉砂巖厚層狀，中間夾雜有煤線.25 221工作面煤層柱狀圖見(jiàn)圖1.

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的支架的重量更大、體積也相對(duì)更大，導(dǎo)致發(fā)生事故時(shí)處理的難度也更大.

大傾角煤層開(kāi)采后覆巖的空間結(jié)構(gòu)與水平煤層開(kāi)采有很大不同，傾斜煤層開(kāi)采后會(huì)沿傾斜工作面形成非對(duì)稱殼體結(jié)構(gòu)[6-8]，如圖2所示，且覆巖垮落包絡(luò)線隨工作面傾角的變化而變化，殼體的走向剖面為半橢圓形狀，在工作面上部殼體高度最大，沿工作面向下殼體高度越來(lái)越小，到工作面下端頭達(dá)到最低，且殼體結(jié)構(gòu)與煤層傾角，覆巖巖性以及工作面推進(jìn)速度等有關(guān).

工作面回風(fēng)巷

工作面運(yùn)輸巷

圖1 25221工作面煤層柱狀圖 Fig.1 histogram of 25221 working face

煤層傾角

垮落包絡(luò)線

1.2 工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

25221工作面采用大采高綜合機(jī)械化采煤工藝，工作面基本支架型號(hào)為ZZ6500/22/48，工作面采用MG400/920－QWD采煤機(jī)單向割煤（即下行割煤），進(jìn)刀方式為端部斜切進(jìn)刀（50#支架處），待機(jī)身全部進(jìn)入煤幫后，下行割煤，然后上返清理浮煤，最后割三角煤，截深0.6 m，工作面采用SGZ800/ 2×400中雙鏈刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，運(yùn)輸巷SZZ730/110中雙鏈刮板轉(zhuǎn)載機(jī)及DSJ80/40-75*2膠帶輸送機(jī)運(yùn)煤.工作面采用超前預(yù)爆，全部垮落法管理頂板，采用“三八工作制”、“兩班采煤一班準(zhǔn)備”，即中班、夜班生產(chǎn)，白班半班準(zhǔn)備、半班割煤，每班工作八小時(shí).中班、夜班各兩個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺 0.6 m，日進(jìn)度3.0 m.

圖2 大傾角煤層開(kāi)采后殼體結(jié)構(gòu) Fig.2 shell structure of high inclined seam

覆巖的運(yùn)動(dòng)直接影響支架的穩(wěn)定性，而支架的工作阻力變化也能反應(yīng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此通過(guò)數(shù)值模擬研究大采高采場(chǎng)覆巖應(yīng)力和位移規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)液壓支架阻力變化進(jìn)一步研究大采高采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供理論指導(dǎo).

3 數(shù)值模擬

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬[9]，分別模擬25221大傾角工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的頂?shù)装逅苄詤^(qū)、垂直應(yīng)力以及位移分布，進(jìn)而比較合理、系統(tǒng)地研究以及模擬構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響下的采動(dòng)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及其穩(wěn)定性. 3.1 建立模型

為了消除邊界效應(yīng)的影響，對(duì)整個(gè)模型的尺寸設(shè)為150 m（x）×200 m（y）×363.4 m（z）.模型共分為9層，為保證模型的精確度，在煤層部分及其煤層頂?shù)装宀糠志W(wǎng)格劃分較為細(xì)致，且邊緣均有 40 m左右的保護(hù)煤柱；整個(gè)計(jì)算模型共劃分為 176 000個(gè)單元體，187 265個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；模型前后、左右四個(gè)面只約束其法向自由度，底面約束x、y、z三個(gè)方向的自由度，頂面無(wú)約束；由于沒(méi)有該地

2 大傾角煤層開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)分析

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，底板-支架-覆巖共同組成一個(gè)系統(tǒng)，在上覆巖層運(yùn)動(dòng)以及底板巖層損傷等多種因素的共同綜合相互作用下，液壓支架的受力狀態(tài)不可避免的發(fā)生惡化，嚴(yán)重的情況下，有時(shí)會(huì)造成液壓支架主要部件的損壞甚至整個(gè)液壓支架的損壞或報(bào)廢.相同地質(zhì)狀況下，相比較分層開(kāi)采與放頂煤開(kāi)采，由于傾斜大采高煤層開(kāi)采空間更大，其采場(chǎng)的支架支護(hù)難度更大，故發(fā)生“支架-圍巖”壓架、倒架的事故概率也更大，另外，大采高工作面

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資料及研究范圍對(duì)采空區(qū)冒落矸石與支護(hù)結(jié)構(gòu)等材料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，采用Mohr- Coulomb屈服準(zhǔn)則[10].巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

區(qū)地應(yīng)力測(cè)量的資料，故計(jì)算過(guò)程中不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的影響.工作面沿x軸布置，沿y軸方向推進(jìn)，工作面長(zhǎng)約100 m，共計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為80 m.結(jié)合地質(zhì)

表1 FLAC3D計(jì)算采用的巖石力學(xué)參數(shù)

Tab.1 rock mechanics parameters calculated using of FLAC3D

力學(xué)參數(shù)

巖層 中砂巖 直接頂粗砂礫巖

5煤層 直接底粉砂巖

粉砂巖 粗砂巖

#

密度/（kg·m-3）

2 500 2 200 1 500 2 200 2 400 2 500

體積模量/GPa

30.0 11.0 2.2 12.0. 25.5 28.0

切變模量/GPa

25.0 10.0 1.8 10.0 22.0 25.0

內(nèi)摩擦角/(°)

39 36 29 37 39 39

內(nèi)聚力/MPa

4.0 1.7 1.1 1.9 3.8 4.0

抗拉強(qiáng)度/MPa

3.6 1.4 0.9 1.5 2.5 3.2

3.2 模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)不同距離沿走向和傾向的垂直應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2.其中工作面沿走向垂直應(yīng)力云圖為y

沿工作面中心垂直x軸截圖，工作面沿傾向垂直應(yīng)力云圖為距工作面20 m垂直y軸截圖

.

（a）推進(jìn)40 m沿走向垂直應(yīng)力 （b）推進(jìn)80 m沿走向垂直應(yīng)力

（c）推進(jìn)40 m沿傾向垂直應(yīng)力 （d）推進(jìn)80 m沿傾向垂直應(yīng)力 （e）推進(jìn)40 m工作面覆巖位移

圖3 25221工作面FLAC3D模擬

Fig.3 stress nephogram of 25221 working face

從圖3（a）和圖3（b）可以看出，大傾角煤層工作面沿推進(jìn)方向垂直應(yīng)力云圖呈左右對(duì)稱狀，與近水平煤層垂直應(yīng)力分布幾乎相同，都在開(kāi)切眼處和工作面煤壁處形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，工作面推進(jìn)40 m時(shí)煤壁處支承壓力峰值為6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)到80 m時(shí)，煤壁處支承壓力峰值為7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.3.說(shuō)明沿推進(jìn)方向與一般傾角煤層具有相似的礦壓顯現(xiàn)特征.

從圖3（c）和圖3（d）可以看出，工作面上

下端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，與近水平煤層相似，不同的是下端頭應(yīng)力集中系數(shù)更大，這與煤層開(kāi)挖后，直接頂冒落，覆巖遭到破壞，強(qiáng)度降低，煤層開(kāi)挖造成的礦山壓力轉(zhuǎn)移到煤壁有關(guān).工作面頂板覆巖出現(xiàn)上大下小的倒立“勺型”，覆巖應(yīng)力分布呈非對(duì)稱性分布，工作面沿傾斜方向上部區(qū)域應(yīng)力釋放范圍（卸壓區(qū)域）較其下部明顯，影響范圍從上到下逐漸減小，底板與頂板的應(yīng)力分布特征相反.比較圖3（c）和圖3（d）圖可以看出，工作面在推進(jìn)80 m時(shí)較工作面推進(jìn)40 m時(shí)，頂板卸壓范圍