翟靈俊

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032303）

研究煤巖傾角對厚煤層上覆巖層運(yùn)動規(guī)律、支承壓力分布規(guī)律及對回采工作的影響作用是很有必要的，在掌握其變化規(guī)律基礎(chǔ)上采取有效措施，更好地控制采場的穩(wěn)定性。對不同傾角影響下采場圍巖活動進(jìn)行模擬研究，以期得到在煤巖傾角影響下厚煤層綜放采場礦壓及礦壓顯現(xiàn)的變化規(guī)律，指導(dǎo)采場安全生產(chǎn)，有利于采場圍巖的控制[1-3]。

1 模擬概況

1.1 建模條件

模型設(shè)計條件:同等開采強(qiáng)度下，不同煤巖傾角。模型建立條件:為達(dá)到研究目標(biāo)設(shè)定建立三個不同角度計算機(jī)仿真模型，即:模型I為水平0°建模，模型II為傾斜30°建模，模型III為大傾角45°建模。模型上部采用應(yīng)力邊界，其他的采用固支邊橋條件。X方向?yàn)楣ぷ髅娣较?，設(shè)定長度為150 m，Y方向?yàn)橥七M(jìn)方向，設(shè)定長度為300 m，推進(jìn)距離為90 m。

1.2 建立模型

模型的前后、左右邊界施加水平約束，模型的底邊界施加水平及垂直雙向約束。模型I尺寸300 m×300 m×170 m，上邊界增加630 m的覆巖均布載荷；模型II尺寸300m×300m×242m，上面增加了600 m的覆巖均布載荷；模型III尺寸300m×300m×384 m，上面增加了600 m的覆巖均布載荷。

2 模型模擬結(jié)果分析

2.1 模型I模擬結(jié)果分析

2.1.1 工作面走向礦壓特征分析

工作面在正常推進(jìn)至90 m處，沿工作面走向方向采場礦壓特征分析，從位移及應(yīng)力兩個方面入手進(jìn)行研究（見圖1，圖2）。

圖1 中部走向方向頂板應(yīng)力及位移變化曲線

從圖1中可以得到，工作面頂板垂直應(yīng)力在煤壁前方呈先增大后減小趨勢變化，峰值出現(xiàn)在12 m左右，而采空區(qū)頂板由于垮落的緣由應(yīng)力為零；頂板位移在采空區(qū)42 m范圍內(nèi)下沉速度較大，而在42 ～78 m范圍內(nèi)下沉速度減緩，最大下沉量達(dá)280 mm，而在0 ～42 m內(nèi)下沉速度較高，后在煤壁前方下沉趨于平緩。

2.1.2 工作面方向礦壓特征分析

從下頁圖2、圖3中得出，除了兩端有所波動外，整個工作面頂板應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，應(yīng)力曲線呈對稱形態(tài)，垂直應(yīng)力值大約23 MPa左右，兩端6 m處出現(xiàn)峰值；而工作面頂板應(yīng)力隨距頂板高度增大而減小，在5 ～8 m處保持不變，是離層原因，在14 m范圍內(nèi)應(yīng)力變化較大，之后變化平緩，在38 m處應(yīng)力趨于穩(wěn)定變化，推測采動對覆巖影響范圍大致為38 m。

圖2 工作面方向頂板應(yīng)力分布曲線

圖3 垂直方向上頂板應(yīng)力分布曲線

2.2 模型II模擬結(jié)果分析

2.2.1 工作面走向礦壓特征分析（見圖4）

圖4 工作面中部走向方向頂板應(yīng)力及位移分布曲線

從圖4中可以看到，沿走向方向頂板應(yīng)力在采空區(qū)后方出現(xiàn)拉應(yīng)力，在工作面附近應(yīng)力驟增，在距煤壁12 m處應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)27 MPa，成為變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，之后應(yīng)力降低至20 MPa左右趨于穩(wěn)定；而頂板位移在工作面后方30 m（圖中48 ～78 m）范圍內(nèi)位移下沉速度增大，而在后方30 ～78 m（圖中12 ～48 m）內(nèi)下沉較為緩慢，最大下沉量達(dá)250 mm左右。

圖5 工作面走向煤壁前方支承壓力分布

從圖5中可以看出，走向方向上煤壁前方應(yīng)力分布呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于平衡變化形態(tài)。煤厚8 m處應(yīng)力異常波動，這可能是模型中節(jié)點(diǎn)連接不順造成的，但整體變化趨勢依舊是先增大后減小，壓力峰值出現(xiàn)在距煤壁前方6 ～9 m處，明顯影響范圍為0 ～33 m左右，在45 m后應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力。

2.2.2 工作面傾向礦壓特征分析（見圖6，圖7）

圖6 工作面傾向方向頂板壓力分布曲線

圖7 工作面頂板不同高度應(yīng)力分布曲線

從圖6、圖7中可以得出，工作面三個位置頂板不同高度應(yīng)力變化大致隨高度增加而呈減小趨勢，但變化不太明顯，可以推測出頂板巖層之間的變化關(guān)系，下部頂板在29 m處出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象，說明29 ～38 m之間巖層為關(guān)鍵承載層，中部頂板在32 m處出現(xiàn)應(yīng)力增大，在44 m處降低，說明32 ～44 m之間的巖層為關(guān)鍵層，而上部頂板在8 ～11 m內(nèi)變化較大后降低，在41 m處出現(xiàn)應(yīng)力增大，這說明此處頂板存在離層現(xiàn)象；在工作面傾向方向，上部頂板應(yīng)力較下部小，且兩端應(yīng)力變化較大。

2.3 模型III模擬結(jié)果分析（見圖8～圖11）

圖8 走向方向頂板應(yīng)力及位移分布曲線

從圖8中可以看出，工作面中部走向方向垂直應(yīng)力分布呈先增大后穩(wěn)定，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在距工作面9 m左右，最大應(yīng)力值21 MPa，在工作面后30 m內(nèi)沉降位移變化速度較大，而煤壁前方變化較緩慢。

從圖9中可以看出，沿走向方向煤體應(yīng)力變化趨勢大致呈先增大后減小最后趨于原始應(yīng)力，壓力峰值大致出現(xiàn)在距煤壁6 ～9 m之間，煤層3 m厚與8 m厚處垂直應(yīng)力最大差值2 MPa，3 m處影響劇烈范圍在0 ～20 m左右，采動影響范圍在0 ～33 m左右，8 m處影響劇烈范圍在0 ～24 m左右，采動影響范圍在0 ～40 m左右。

從圖10、圖11中可以得出，中上部頂板應(yīng)力在35 m內(nèi)呈逐漸減小趨勢，之后波動變化，41 m之上增大，這說明38 m之上巖層組起到關(guān)鍵承載作用；而下部頂板在20 m處增大，之后在29 m之上逐漸變小，這說明在23 ～29 m之間巖層組起關(guān)鍵承載作用；在工作面傾向方向上，垂直應(yīng)力變化平穩(wěn)，上部稍偏小，從上到下大致呈增大趨勢。

圖9 工作面煤壁前支承壓力平均值分布曲線

圖10 工作面各部頂板應(yīng)力變化曲線

圖11 工作面傾向方向頂板應(yīng)力分布曲線

3 模擬結(jié)果綜合對比分析

通過對采場工作面多方位監(jiān)測，從應(yīng)力和位移兩個角度對其進(jìn)行對比分析，得出煤巖傾角對采場工作面礦壓影響的變化規(guī)律。

3.1 煤壁前方支承壓力分布規(guī)律（見表1）

表1 工作面走向煤壁前方垂直應(yīng)力分布情況一覽表

表1中可以看出，工作面走向方向煤壁前方支承應(yīng)力減小，應(yīng)力集中系數(shù)隨角度增大呈先增后減的變化趨勢，應(yīng)力影響范圍呈逐漸變小趨勢，峰值距煤壁的距離也呈減小趨勢。

3.2 三個位置頂板垂直應(yīng)力變化特征（見表2）

表2 工作面三位置頂板垂直應(yīng)力分布情況表

表2中可以得出，隨著煤巖傾角增大，工作面頂板垂直應(yīng)力分布特征發(fā)生變化，由單調(diào)遞減轉(zhuǎn)為異常變化；工作面中上部頂板應(yīng)力隨高度增加呈下降趨勢，而下部頂板應(yīng)力卻變化異常，出現(xiàn)應(yīng)力波動情況，總體上頂板垂直應(yīng)力呈降低趨勢[4-5]。

3.3 頂板垂直應(yīng)力及沉降位移變化特征

隨煤巖傾角增大，工作面頂板垂直應(yīng)力在走向方向變化異常，45°采場采空區(qū)頂板未垮落，沿走向方向受力逐漸增大，在煤壁前方支承壓力分布平緩未出現(xiàn)峰值，而傾角小時，都出現(xiàn)峰值點(diǎn)；隨煤巖傾角增大，沿走向方向頂板沉降位移量減小，最大差值約為100 mm，總體減小趨勢沒有改變，這說明頂板運(yùn)動從單純的垂直運(yùn)動轉(zhuǎn)向復(fù)合空間運(yùn)動。

4 結(jié)語

本文通過對 0°、30°、45°三個模型的走向長壁工作面和巷道多方位監(jiān)測監(jiān)控，著重分析了煤巖傾角對采場圍巖活動規(guī)律的影響。

煤巖傾角對整個采場圍巖活動產(chǎn)生較大影響，采場覆巖頂板運(yùn)動從單純的垂直運(yùn)動轉(zhuǎn)向垂直與水平復(fù)合空間運(yùn)動，經(jīng)過下沉-回轉(zhuǎn)-反回轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定，導(dǎo)致支架受壓情況發(fā)生變化，最終改變了采場圍巖礦壓規(guī)律。