急倾斜煤层伪斜开采围岩变形规律数值模拟

刁乃勤，郭立稳，李树志

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北唐山 063009;2.煤炭科学研究总院唐山研究院，河北唐山 063012)

急倾斜煤层开采时，由于倾角较大，重力方向与岩层层理面方向夹角变小，重力沿层理面作用力大大增加。这使得围岩移动规律、顶板冒落形态与缓倾斜煤层开采相比，过程更为复杂。伪斜长壁采煤法是急倾斜煤层开采的有效方法，具有巷道系统布置简单，对煤厚变化适应性强，机械化程度高，回采率高等优点。本文以开滦赵各庄矿急倾斜煤层为研究对象，应用三维有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析，探讨伪斜开采围岩移动变形规律，为工作面合理支护提供理论依据。

1 建立模型

1.1 几何参数

模拟煤层厚度2.5 m、倾角α=55°、埋深1000 m。模型沿走向长150 m，宽71 m，高130 m，以岩层层面为主要结构面，划分六面体单元46 000个，生成网格节点50 184个。为了消除模型边界约束对分析结果的影响，采区位于模型中心，模型网格结构如图1所示。

考虑到综采设备、工作面落煤运煤、冒落矸石自然堆积角等要求，设计工作面与倾斜方向夹角φ=52°，伪斜角β=30°，采区阶段高度h=50 m，伪斜参数情况如图2所示。工作面长度L按下列公式计算:

图1 FLAC3D模型网格图

图2 伪斜工作面布置图

模拟过程中工作面沿走向推进，循环开采步距为3 m，共计算21个循环，工作面推进63 m。

1.2 边界条件设置及岩层参数选择

模型底部施加Z向竖直位移约束，四周施加X、Y向水平位移约束，顶面为自由边界，施加均布荷载为23.45MP的边界应力，内部施加重力和构造应力载荷。依据开滦矿区水压致裂法测定地应力成果:赵各庄矿区最大地应力近于垂直(约为26.12MPa)、中间和最小主应力近于水平(约为12.86MPa、8.76MPa)。模型中通过设置渐变应力，生成工作面附近Z 向23.45 ～26.89MPa、X 向7.55～8.70MPa，Y 向11.28 ～13.00MPa梯度变化的构造应力，符合原岩地应力分布情况。

模型共划分煤岩层9层，各层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

2 模拟结果分析

煤层开采前，在开切眼前方48 m处设置沿伪斜方向的测线，工作面靠近并到达测点后，继续向前推进18 m。开采及后期稳定过程中，基本顶和直接底岩层沿Z向移动速度被连续记录下来。

2.1 基本顶下沉分析

基本顶不同区段下沉速度曲线如图3所示。

图3 基本顶下沉速度

基本顶下段:位于煤壁前方6 m以外时，基本顶下沉速率缓慢增加;随着工作面经过，从位于煤壁前方6 m至煤壁后方18 m(开采停止位置)，基本顶下沉速率急剧增加，由－5.1 mm/d增加到峰值－22.9 mm/d;随后下沉速率快速降低至0。

基本顶中段:位于煤壁前方9 m以外时，基本顶下沉速率缓慢增加;从位于煤壁前方9 m至煤壁后方18 m，以及停采后一段时间内，基本顶下沉速率急剧增加，由－6.9 mm/d增加到峰值－30 mm/d;随后下沉速率缓慢降低至0。

基本顶上段:位于煤壁前方3 m以外时，基本顶下沉速率缓慢增加;从煤壁前方3 m至煤壁后方18 m，下沉速率急剧增加，但波动性有所减弱，停止采动很长时间内，速率依然较快增长，下沉由－14.7 mm/d最终增加到峰值－40.3 mm/d，是下段峰值的1.76倍;之后下沉速率逐步降低至0。

总体来看，基本顶下沉速度可分为缓慢增加、急速波动增加、逐步降低三个过程，最大速率滞后工作面大于18 m。下沉变形在伪斜方向上存在明显差异，从剧烈变形持续时间、速率增加情况来看，上段几乎为下段的2倍，是破坏最剧烈严重的区域;中段次之，下段最为轻微。这是由于煤层开采后，顶板冒落矸石受重力作用自溜下滑，在采场下段形成具有一定支承能力的充填带，而采场上段产生大面积顶板悬露，基本顶因下方支承条件不同，上段应力释放更为充分，最终下沉垮落区域呈非对称拱形。

开采过程中，底鼓速度变化情况如图4所示。

图4 直接底底鼓速度

2.2 底板鼓起分析

直接底下段:位于煤壁前方12 m时，底板开始出现底鼓;从煤壁前方12 m至3 m，底鼓速率从0缓慢增加到0.97 mm/d;随着工作面经过，直至位于煤壁后方18 m，底鼓进入活跃期，峰值达到5.31 mm/d;底鼓主要产生于工作面经过之后。之后速率逐步降低为0。

直接底中段:位于煤壁前方27 m以外时，底鼓速率缓慢增加;从位于煤壁前方27 m至煤壁后方9 m，底鼓处于活跃期，速率伴随循环开采出现大幅波动，峰值达到7.66 mm/d;之后速率逐渐降为0。

直接底上段:位于煤壁前方27 m以外时，底鼓速率增加缓慢;从煤壁前方27 m至煤壁后方6 m，底鼓处于活跃期，速率峰值为4.89 mm/d;底鼓主要产生于工作面到达之前。之后速率逐渐降为0。

当伪斜工作面到达测点时，底板不同分段正处于底鼓活动的不同阶段。上段处于活跃期的结束阶段，底板在开采前已大量变形，压力得到明显释放，开采时底鼓速度只有2.63 mm/d，并且正在逐步降低。中段处于活跃期的中间阶段，底鼓量较开采前有所降低，但受循环开采矿压影响强烈，速率出现剧烈波动;下段刚进入活跃期，底鼓速度急速增长，且稳定在较高数值，这是因为开采前底板下段在充填带作用下压力释放很少，开采产生自由面后，压力集中释放，底板受挤压开始迅速变形鼓起。

2.3 岩层体积变化分析

沿伪斜剖面，工作面周围岩层体积变化速率如图5所示。

图5 岩层体积变化速率

工作面下段:只有直接顶和直接底软岩产生6.05 mm3/d的体积膨胀速率，且集中在工作面上下各小于2 m的范围内。此区域内顶板受到矸石充填带的支撑作用，基本顶及上覆岩层在采动中依然保持形态稳定。

工作面中段:直接顶和直接底体积膨胀速率分别为15.43 mm3/d、7.71 mm3/d，同时部分基本顶产生3.43 mm3/d的膨胀速率。开采后工作面上方4.5 m范围内，基本顶内部节理裂隙逐渐发育，伴随出现离层弯曲现象。此区域冒落矸石无法充满采空区，顶板存在一定悬露空间，岩层卸压程度与范围较下段有所加大。

工作面上段:岩层破坏范围进一步加大，工作面上方7.5 m范围内，整层基本顶体积膨胀速率为6.05 mm3/d，上半段大面积产生离层，顶板弯曲下沉迅速，破断冒落后悬空空间呈不对称拱状;上端头沿倾斜向上25 m范围内，煤岩层体积产生了9.14 mm3/d～3.43 mm3/d不等的膨胀速率，处于此卸压带内的回风平巷，外侧煤壁受倾斜方向侧压力挤压，巷帮容易变形破坏。

3 结论

(1)基本顶下沉速度分为3个时期:缓慢增加、急速波动增加、逐步降低。速度峰值位于煤壁后方18 m以外。上段下沉的持续时间和剧烈程度约为下段的2倍。提高开采速度可使工作面远离下沉速率达的区域，减小支护压力。

(2)工作面到达测点时，其上中下段底鼓分别处于活跃期的结束阶段、中间阶段、开始阶段。中段底鼓速度不稳定，受采动影响明显，应加强监测，采取预防措施。下段底鼓增速最剧烈，对底板破坏也最严重，开采过程中需及时治理。

(3)冒落矸石沿伪斜角滚落，在工作面下段形成具有一定支撑能力的充填带。顶板下方沿伪斜方向支撑条件不同，垮落区呈非对称拱形，拱顶约位于工作面中上段正上方。回风平巷外侧25m范围内为卸压带，巷帮受侧压力挤压容易变形破坏，应加强支护。

［1］李栖凤.急倾斜煤层开采［M］.北京:煤炭工业出版社，1984.

［2］谭静，张普田，洪益清，等.开滦赵各庄矿2137西下工作面防水煤柱留设研究［J］.中国煤炭地质，2009，21(4):35-37.

［3］武强，魏学勇.开滦东欢坨矿北二采区冒裂带高度可视化数值模拟［J］.煤田地质与勘探，2002，(10):41-44.

［4］赵元放，张向阳，涂敏.大倾角煤层开采顶板垮落特征及矿压显现规律［J］.采矿与安全工程学报，2007，24(2):231-234.

［5］高召宁，石平五.急斜煤层开采老顶破断力学模型分析［J］.矿山压力与顶板管理，2003，21(1):81-83.

［6］汪成兵，张盛，勾攀峰，等.急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究［J］.焦作工学院学报，2003，25(3):165-167.

［7］高明中.急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验［J］.岩石力学与工程学报.2004，23(2):441-445.

［8］曹树刚，刘玉成，彭勇，等.急斜煤层走向长壁综采面顶板控制［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(4):441-444.

［9］尹光志，代高飞，皮文丽，等.俯伪斜分段密集支柱采煤法缓和急倾斜煤层矿压显现不均匀现象的研究［J］.岩石力学与工程学报.2003，22(9):1483-1488.