煤层倾角对采场矿压规律影响分析

翟灵俊

（山西汾西矿业集团水峪煤业， 山西 孝义 032303）

研究煤岩倾角对厚煤层上覆岩层运动规律、支承压力分布规律及对回采工作的影响作用是很有必要的，在掌握其变化规律基础上采取有效措施，更好地控制采场的稳定性。对不同倾角影响下采场围岩活动进行模拟研究，以期得到在煤岩倾角影响下厚煤层综放采场矿压及矿压显现的变化规律，指导采场安全生产，有利于采场围岩的控制[1-3]。

1 模拟概况

1.1 建模条件

模型设计条件:同等开采强度下，不同煤岩倾角。模型建立条件:为达到研究目标设定建立三个不同角度计算机仿真模型，即:模型I为水平0°建模，模型II为倾斜30°建模，模型III为大倾角45°建模。模型上部采用应力边界，其他的采用固支边桥条件。X方向为工作面方向，设定长度为150 m，Y方向为推进方向，设定长度为300 m，推进距离为90 m。

1.2 建立模型

模型的前后、左右边界施加水平约束，模型的底边界施加水平及垂直双向约束。模型I尺寸300 m×300 m×170 m，上边界增加630 m的覆岩均布载荷；模型II尺寸300m×300m×242m，上面增加了600 m的覆岩均布载荷；模型III尺寸300m×300m×384 m，上面增加了600 m的覆岩均布载荷。

2 模型模拟结果分析

2.1 模型I模拟结果分析

2.1.1 工作面走向矿压特征分析

工作面在正常推进至90 m处，沿工作面走向方向采场矿压特征分析，从位移及应力两个方面入手进行研究（见图1，图2）。

图1 中部走向方向顶板应力及位移变化曲线

从图1中可以得到，工作面顶板垂直应力在煤壁前方呈先增大后减小趋势变化，峰值出现在12 m左右，而采空区顶板由于垮落的缘由应力为零；顶板位移在采空区42 m范围内下沉速度较大，而在42 ～78 m范围内下沉速度减缓，最大下沉量达280 mm，而在0 ～42 m内下沉速度较高，后在煤壁前方下沉趋于平缓。

2.1.2 工作面方向矿压特征分析

从下页图2、图3中得出，除了两端有所波动外，整个工作面顶板应力变化比较平稳，应力曲线呈对称形态，垂直应力值大约23 MPa左右，两端6 m处出现峰值；而工作面顶板应力随距顶板高度增大而减小，在5 ～8 m处保持不变，是离层原因，在14 m范围内应力变化较大，之后变化平缓，在38 m处应力趋于稳定变化，推测采动对覆岩影响范围大致为38 m。

图2 工作面方向顶板应力分布曲线

图3 垂直方向上顶板应力分布曲线

2.2 模型II模拟结果分析

2.2.1 工作面走向矿压特征分析（见图4）

图4 工作面中部走向方向顶板应力及位移分布曲线

从图4中可以看到，沿走向方向顶板应力在采空区后方出现拉应力，在工作面附近应力骤增，在距煤壁12 m处应力达到最高点27 MPa，成为变化转折点，之后应力降低至20 MPa左右趋于稳定；而顶板位移在工作面后方30 m（图中48 ～78 m）范围内位移下沉速度增大，而在后方30 ～78 m（图中12 ～48 m）内下沉较为缓慢，最大下沉量达250 mm左右。

图5 工作面走向煤壁前方支承压力分布

从图5中可以看出，走向方向上煤壁前方应力分布呈现先增大后减小最后趋于平衡变化形态。煤厚8 m处应力异常波动，这可能是模型中节点连接不顺造成的，但整体变化趋势依旧是先增大后减小，压力峰值出现在距煤壁前方6 ～9 m处，明显影响范围为0 ～33 m左右，在45 m后应力趋于原岩应力。

2.2.2 工作面倾向矿压特征分析（见图6，图7）

图6 工作面倾向方向顶板压力分布曲线

图7 工作面顶板不同高度应力分布曲线

从图6、图7中可以得出，工作面三个位置顶板不同高度应力变化大致随高度增加而呈减小趋势，但变化不太明显，可以推测出顶板岩层之间的变化关系，下部顶板在29 m处出现应力增大现象，说明29 ～38 m之间岩层为关键承载层，中部顶板在32 m处出现应力增大，在44 m处降低，说明32 ～44 m之间的岩层为关键层，而上部顶板在8 ～11 m内变化较大后降低，在41 m处出现应力增大，这说明此处顶板存在离层现象；在工作面倾向方向，上部顶板应力较下部小，且两端应力变化较大。

2.3 模型III模拟结果分析（见图8～图11）

图8 走向方向顶板应力及位移分布曲线

从图8中可以看出，工作面中部走向方向垂直应力分布呈先增大后稳定，转折点出现在距工作面9 m左右，最大应力值21 MPa，在工作面后30 m内沉降位移变化速度较大，而煤壁前方变化较缓慢。

从图9中可以看出，沿走向方向煤体应力变化趋势大致呈先增大后减小最后趋于原始应力，压力峰值大致出现在距煤壁6 ～9 m之间，煤层3 m厚与8 m厚处垂直应力最大差值2 MPa，3 m处影响剧烈范围在0 ～20 m左右，采动影响范围在0 ～33 m左右，8 m处影响剧烈范围在0 ～24 m左右，采动影响范围在0 ～40 m左右。

从图10、图11中可以得出，中上部顶板应力在35 m内呈逐渐减小趋势，之后波动变化，41 m之上增大，这说明38 m之上岩层组起到关键承载作用；而下部顶板在20 m处增大，之后在29 m之上逐渐变小，这说明在23 ～29 m之间岩层组起关键承载作用；在工作面倾向方向上，垂直应力变化平稳，上部稍偏小，从上到下大致呈增大趋势。

图9 工作面煤壁前支承压力平均值分布曲线

图10 工作面各部顶板应力变化曲线

图11 工作面倾向方向顶板应力分布曲线

3 模拟结果综合对比分析

通过对采场工作面多方位监测，从应力和位移两个角度对其进行对比分析，得出煤岩倾角对采场工作面矿压影响的变化规律。

3.1 煤壁前方支承压力分布规律（见表1）

表1 工作面走向煤壁前方垂直应力分布情况一览表

表1中可以看出，工作面走向方向煤壁前方支承应力减小，应力集中系数随角度增大呈先增后减的变化趋势，应力影响范围呈逐渐变小趋势，峰值距煤壁的距离也呈减小趋势。

3.2 三个位置顶板垂直应力变化特征（见表2）

表2 工作面三位置顶板垂直应力分布情况表

表2中可以得出，随着煤岩倾角增大，工作面顶板垂直应力分布特征发生变化，由单调递减转为异常变化；工作面中上部顶板应力随高度增加呈下降趋势，而下部顶板应力却变化异常，出现应力波动情况，总体上顶板垂直应力呈降低趋势[4-5]。

3.3 顶板垂直应力及沉降位移变化特征

随煤岩倾角增大，工作面顶板垂直应力在走向方向变化异常，45°采场采空区顶板未垮落，沿走向方向受力逐渐增大，在煤壁前方支承压力分布平缓未出现峰值，而倾角小时，都出现峰值点；随煤岩倾角增大，沿走向方向顶板沉降位移量减小，最大差值约为100 mm，总体减小趋势没有改变，这说明顶板运动从单纯的垂直运动转向复合空间运动。

4 结语

本文通过对 0°、30°、45°三个模型的走向长壁工作面和巷道多方位监测监控，着重分析了煤岩倾角对采场围岩活动规律的影响。

煤岩倾角对整个采场围岩活动产生较大影响，采场覆岩顶板运动从单纯的垂直运动转向垂直与水平复合空间运动，经过下沉-回转-反回转达到稳定，导致支架受压情况发生变化，最终改变了采场围岩矿压规律。