厚煤层大采高采场上覆岩层运移规律数值模拟研究

张占春

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

厚煤层大采高采场上覆岩层运移规律数值模拟研究

张占春

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602）

基于斜沟煤矿18105大采高工作面采场的煤岩赋存条件与开采条件，建立FLAC3D数值计算模型，随着工作面不断推进，研究厚煤层中大采高采场中上覆岩层运移规律，模拟分析大采高采场覆岩的应力分布、位移情况以及大采高工作面推进过程中采场围岩应力场、位移场和围岩破坏情况。研究结果可为厚煤层大采高采场围岩控制提供理论依据和工程参考。

采矿工程；厚煤层大采高；覆岩运移规律

20世纪70年代末期我国开始采用大采高开采方法[1-2]。随着矿井高效安全技术的要求，人们普遍认识到综合机械化大采高工作面是矿井高产高效的基础。由于采高的加大和设备的重型化，加上地质条件千变万化，大采高工作面也出现了一些事故，覆岩移动规律的研究是解决问题的关键[3-5]。

随着煤层的采出，上覆岩层不断出现弯曲变形、下沉和破断等一系列矿压现象[6-7]。对于大采高而言，由于采高的加大，采空区空间增大，导致上覆岩层活动形态结构极其复杂[8-10]。基于大采高采场上覆岩层运移规律的研究，将更有利于指导大采高工作面、端面以及顶板的稳定性控制，以满足煤炭安全高效生产的要求。

文章以斜沟煤矿8号煤层为工程研究背景，以5.4 m大采高采场上覆岩层的运移规律的数值模拟为研究对象，掌握其大采高条件下上覆岩层运移规律，可为开采实践提供指导。

1 数值模型建立

本模型基于斜沟煤矿18105工作面采场的煤岩赋存条件与开采条件建立FLAC3D数值模型，模拟分析大采高采场覆岩应力分布、位移情况以及工作面推进过程中采场围岩应力场、位移场和围岩破坏区域。18105工作面的基本情况：平均倾斜度是8°，大采高工作面倾斜长294.9 m，走向长3 418 m，煤的平均厚度5.4m，平均埋深160m。

基于对应的相似理论，建立数值模型中顶板岩层厚度定义取60m，底板岩层厚度定义取20 m，煤层厚度按实际定义取5.4 m，大采高工作面长度按实际取300 m，工作面推进距离为140 m，推进方向上前后各留40 m宽的实体煤，整个模型的尺寸为长×宽×高=300 m×220 m×85.4 m。在模型上部边界采用等效载荷来弥补模型中没有建立岩层的重力。

模型的边界条件是在前后左右边界施加水平方向上的位移约束，底部边界施加竖直方向上的位移约束。

2 模拟结果及分析

2.1工作面覆岩垂直应力分布

工作面煤体的开挖造成覆岩所处的原岩应力状态发生了改变，随着工作面不断向前推进的过程中，相应的应力状态也处于不断的变化过程中，图1为工作面推进的距离不同时覆岩的垂直应力分布情况。

图1 工作面覆岩在不同推进距离下的垂直应力分布

由图1可知，工作面在不断推进的过程中，上覆岩层的垂直距离是有相同趋势形态的，即出现应力升高区和应力降低区。在工作面前方开采面，垂直应力会产生应力集中现象，整体宏观层面显现应力增高区；当开采面继续推进的过程中，前期的应力集中效应会释放，在整体宏观显现为应力降低区。应力降低区随着工作面的不断推进也不断的增大，当在一定推进到一定的距离是出现平稳状态。具体为当工作面推进的距离分别为20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m和140 m时，工作面前方煤体最大垂直应力分别为6.12MPa、10.81 MPa、22.95 MPa、29.62MPa、33.41MPa、32.81MPa和31.04MPa。工作面前方煤体的应力峰值一开始随着工作面推进距离的增大而增大，但整体形式并不是以线性规律递增的，当大采高工作面开挖距离超过100 m后，垂直应力的峰值有所降低。

2.2 工作面覆岩移动规律

工作面开始开采后，随着其推进距离的不断增加，当上覆岩层承受的载荷超过了自身的强度时，覆岩就会出现离层、裂隙和破坏。现用垂直位移量来衡量覆岩的移动情况。图2为在不同的推进距离下数值模拟所得的垂直位移分布情况。

图2 工作面覆岩在不同推进距离下的垂直位移分布

从图2分析可知，当工作面开采不同的距离时，上覆岩层的垂直位移情况也有不同的表现。具体为当工作面推进分别为20 m、40 m、60 m、80 m、100m、120 m和140 m时，采空区覆岩的最大垂直位移为5.7 mm、12 m、8.7 mm、115 m、121 mm、97 mm和69 mm。当工作面刚开挖距离较小时，由于围岩自身的稳定性使得覆岩出现小的变形下沉等现象。当工作面不断继续推进时，上覆岩层中的裂隙逐渐发育，并且贯通，覆岩出现宏观的破断现象。当破断至一定程度，岩层形成一个比较稳定的结构，垂直位移又减小。综上大体总的趋势为随工作面不断向前推进中，采空区覆岩垂直位移量变化趋势为先增大后减小。

2.3工作面覆岩破坏规律

工作面开始开采后，随着其推进距离的不断增加，顶板垮落破坏的区域也不断增大，当其推进的距离超过充分采动的最小距离时，覆岩的最大破坏区域不再增加。图3为数值模拟所得的工作面在不同的推进距离下围岩的塑形破坏区分布情况。

从图3分析可知，当工作面煤体开挖后，顶板岩层将不受到任何物体的支撑，出现悬空空间。工作面煤体推进60m时，顶板岩层塑形破环区域不大，当推进距离超过60m时，塑形破坏区域显著的增大。由于受到水平、垂直应力的影响，如果顶板岩层受到了可承受的最大应力挤压，那么采空区顶板会受到影响。随着综采面不断推进过程中，裂隙也会在覆岩范围中扩大，进而拉伸破坏顶板。工作面的不断推进会相应的增加拉伸破坏面积。煤层顶板位置出现纵向破坏，工作面方面是横向破坏的出现区域。

3 结论

1）应力在大采高工作面采场覆岩中的分布情况是：主要有稳定区、应力增高区、应力降低区三个位置分布。随着工作面的不断推进，应力增高区范围也不断增大，且峰值也相应地增加。

2）随着采场的不断推进，采空区上覆岩层垂直移动的距离不断增加，且上覆岩层出现下沉的范围也不断增大。

3）随着工作面不断向前推进的过程，顶板所承载的载荷也在增大，当达到甚至超过顶板围岩的强度极限时，顶板出现垮落变形破坏。

[1]弓培林.大采高采场围岩控制理论及应用研究[D].太原：太原理工大学，2006.

[2]杨永康.特厚煤层大采高综放采场覆岩移动规律及围岩控制[M].北京：煤炭工业出版社，2014.

[3]许家林，鞠金峰.特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响[J].岩石力学与工程学报，2011，30（8）：5547-1556.

[4]鞠金峰，许家林，王庆雄.大采高采场关键层“悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响[J].煤炭学报，2011,36（12）：2115-2120.

[5]王学军，钱学森.厚煤层大采高全厚开采工艺研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2009，26（2）:212-216．

[6]贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[7]钱鸣高，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.

[8]郝海金，吴健，张勇，等.大采高开采上位岩层平衡结构及其对采场矿压显现的影响[J].煤炭学报，2004，29（2）:137-141．

[9]弓培林，靳钟铭.大采高综采采场顶板控制力学模型研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）:193-198．

[10]弓培林，靳钟铭.大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究[J].煤炭学报，2004，29（1）：7-11．

（编辑：薄小玲）

Numerical Simulation on M ovement of Overlying Strata in Large-m ining-height Thick Coal Seam M ining

ZHANG Zhanchun
(Xiegou Mine,Xishan Jinxing Energy Co.,Ltd.,Lvliang 033602,China)

Based on the occurrence and mining condition of coal rock in No.18105 large-miningheight working face in Xiegou Mine,numerical simulation model of FLAC3Dwas established.With the advancing of the working face,the movement of overlying strata was studied.We simulated the stress distribution,displacement,and stress field,displacement field,and surrounding rock failure.The results could provide theoretical rationale and engineering reference for the surrounding rock control in thick coal seam with large-mining-heightmining.

mining engineering;large-mining-height of thick coal seam;movement of overlying strata

TD 325

A

1672-5050（2016）06-001-05

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.001

2016-08-25

国家自然科学基金资助项目(51404167)；太原理工大学校基金团队项目(1205-04020102)；山西省自然科学基金（2014011035-2）

张占春（1977-），男，山西原平人，硕士，工程师，从事采场矿压控制技术与管理工作。