大倾角煤层不规则工作面支承压力演化特征

国林东，牛心刚,3，陆占金

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

研究与实践表明，大倾角煤层(35°～55°)是国际公认难采煤层[1-3]。大倾角煤层开采矿压显现特征及顶板运移又是煤炭领域基础性研究课题[4]。近年来，受矿井开采地质构造和赋存条件影响，大倾角煤层不规则工作面开采增多，在实际开采过程中存在许多技术难题。随着煤层倾角的变化，由短到长不规则工作面衔接面前后应力波动较大，覆岩破坏严重。因此，急需对大倾角煤层不规则工作面采动应力演化特征进行研究。

相关科技人员针对大倾角煤层规则与不规则工作面矿压显现规律做了大量工作。赵洪亮等[5]采用UDEC数值模拟软件分析了大倾角工作面顶底板的位移和应力变化；伍永平等[6-7]揭示了大倾角煤层工作面倾向支承压力具有非对称特征；王红伟等[8]基于数值计算分析，获得了大倾角煤层开采三维空间应力拱壳形态；刘金海等[9]分析了C型工作面支承压力分布特征；王新丰[10]、高明中[11]等比较分析了3种工作面长度条件下工作面支承压力分布特征，探讨了工作面前方支承压力与水平应力的动态演化过程。

综上可知，现有研究成果主要集中在大倾角煤层规则工作面或缓倾斜不规则工作面的支承压力演化方面，对大倾角煤层不规则工作面支承压力演化研究较少。为实现该条件工作面安全高效开采，丰富矿压理论，笔者采用数值模拟研究方法，分析了不同倾角条件下工作面衔接段前后走向和倾向支承压力的动态演化过程及其特征。

1 数值计算模型与参数

为研究变长工作面在不同倾角条件下支承压力三维演化规律，结合淮南潘北矿地质与工程资料，考虑模拟需要，建立5种倾角(25°、30°、35°、40°、45°)三维尺寸为290 m(走向)×200 m(倾向)×250 m(高度)的FLAC 3D数值计算模型。采用M-C本构模型，模型四边和底部采用位移边界，顶部为自由边界并施加8.0 MPa模型上覆未模拟岩层载荷。采用弱化材料滞后20 m充填采空区，用以模拟采空区垮落充填。由于大倾角工作面顶板垮落不均匀[12]，在工作面上方10 m内不充填。

工作面推进方向(y轴)两边各留30 m的保护煤柱。变长工作面由工作面长70 m、走向长180 m逐渐过渡为工作面长140 m、走向长50 m。为真实反映煤岩体赋存状况，共模拟11层岩层，数值计算模型如图1所示。煤岩物理力学参数见表1。

(a)立体模型

表1 煤岩物理力学参数

为使模拟结果更加符合现场工作面开采实际，先开挖巷道，待计算平衡后再开挖工作面。煤层回采过程实质上是工作面顶板和煤壁前方应力调整、演化的过程[13]。随着工作面不断推进，采场支承压力也相应出现规律性变化，若工作面面长和煤层倾角发生改变，则工作面走向和倾向支承压力也将相应改变[14-15]。

2 模拟结果分析

2.1 工作面走向支承压力演化特征

为确定衔接面前后10～40 m(推进170～220 m)，不同倾角(25°、30°、35°、40°、45°)条件下工作面支承压力随工作面走向距离演化关系，提取不同煤层倾角工作面煤层上方2 m处上中下部支承压力数据进行分析，如图2所示。

(a)走向推进至170 m

由图2可知，工作面上部随着走向距离增加，不同煤层倾角条件下采空区支承压力为1 MPa左右，煤壁前方支承压力为11～13 MPa；工作面中部与下部随着走向距离增加，不同煤层倾角条件下衔接面后方采空区支承压力约为2～5 MPa，衔接面前方采空区支承压力呈现“勺型”释放形态，支承压力大小随走向距离增加逐渐减小至1 MPa左右，相比工作面上部煤壁前方支承压力峰值增大，开始受到采场过渡段面长效应影响；衔接面后方采空区支承压力大小随煤层倾角增大而不断减小，当走向推进至 190 m 后，衔接面前方采空区支承压力大小随煤层倾角增大而不断增大。

2.2 工作面倾向支承压力演化特征

为分析工作面倾向支承压力演化过程，记录了工作面走向推进至170、190、200、220 m时，工作面在不同煤层倾角条件下煤壁后方2 m处倾向支承压力大小，如图3所示。

(a)走向推进至170 m

由图3可知，当走向推进至170 m时，工作面运输巷煤柱侧向支承压力峰值为15～17 MPa，煤柱侧向支承压力随煤层倾角增大而增大；当走向推进至190 m时，工作面面长由70 m增大至140 m，工作面运输巷煤柱侧向支承压力峰值急剧减小为14 MPa左右，工作面顶板倾向支承压力波动较大，其值为 3～10 MPa；当走向推进至200 m及以上时，工作面运输巷煤柱侧向支承压力逐渐增大，面长效应减弱，工作面顶板倾向支承压力波动范围减小，并逐渐趋于稳定；在工作面推进过程中回风巷煤柱侧向支承压力变化较小，支承压力为12～14 MPa，基本不受衔接面面长效应影响，回风巷煤柱侧向支承压力峰值随煤层倾角增大而减小。

2.3 工作面三维支承压力演化特征

为直观反映工作面走向推进过程中支承压力三维演化特征，利用FLAC中Fish语言提取煤层倾角为25°、35°、45°整煤层支承压力数据(自上往下依次推进170、190、200、220 m)，并导入Sufer三维绘图软件，生成不同推进距离下的三维支承压力云图，如图4 所示。

图4 工作面三维支承压力演化

由图4可知，当走向推进至170 m时，工作面下部煤壁前方超前支承压力锯齿高度随煤层倾角增大而升高；当走向推进至190 m时，工作面煤壁前方超前支承压力出现上大下小的曲面形态；当走向推进至200 m以后这种曲面形态逐渐消失；当工作面面长从70 m增加至140 m后，工作面前方超前支承压力逐渐增大，表现为煤层倾角35°与45°的超前支承压力峰值低于25°时的超前支承压力。

2.4 工作面煤壁前方超前支承压力演化特征

为分析工作面煤壁前方超前支承压力随走向推进的演化特征，提取了工作面煤壁前方1 m处支承压力数据，如图5所示。

图5 支承压力与工作面走向距离关系

由图5可知，煤壁前方支承压力变化趋势呈现出工作面中部最大、上部最小的特点，另外，随走向距离增大，超前支承压力的演化经历了5个阶段：0～70 m超前支承压力随走向距离的增大而增大，推进至 70 m 处支承压力首次出现峰值；70～100 m超前支承压力随走向距离增大而降低；100～140 m超前支承压力随走向距离的增大而增大，推进至140 m处超前支承压力再次出现峰值；140～180 m超前支承压力随走向距离增大而降低；180 m以后超前支承压力随走向距离的增大而增大。

3 结论

1)大倾角煤层不规则工作面支承压力演化特征模拟结果表明，工作面走向与倾向支承压力形成过程具有一致性，而工作面不同区域支承压力演化特征受煤层倾角影响表现出不一致性，工作面下部表现更为突出。

2)工作面三维支承压力云图表明，工作面衔接段10～40 m内支承压力呈现过度集中的特点，工作面在此回采阶段易出现片帮冒顶及支架失稳情况。

3)工作面煤壁超前支承压力演化受倾角与走向推进距离共同影响，表现出工作面中部超前支承压力最大的特点，且走向推进至70 m和140 m时，超前支承压力出现峰值，采场覆岩活动将加剧。