大倾角综采工作面覆岩运移规律_张春雷
第33卷第6期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2014年6月
of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2014 Vol.33 No.6 Journal
文章编号：1008-0562(2014)06-0736-05 doi:10.3969/j.issn.1008-0562.2014.06.004
大倾角综采工作面覆岩运移规律
张春雷1，张世青1，赵健健1，李增峰1,2，马 越1
（1. 中国矿业大学（北京） 资源与安全工程学院，北京 100083；2. 新疆焦煤有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830025）
摘 要：为研究大倾角综采工作面覆岩运移规律，运用FLAC3D数值模拟软件建立模型，分别模拟了煤层开采过程中不同推进距离的围岩垂直应力分布，以及顶底板垂直位移，并通过现场对液压支架工作阻力沿推进方向和倾斜方向的统计分析，进一步分析了大倾角工作面覆岩运移特征.结果表明：大倾角煤层开采过程中，沿工作面倾斜方向垂直应力和位移具有非对称性，中部和上部覆岩位移量和垂直应力释放范围均较下部大，覆岩活动较为剧烈.研究结论为工作面支架安全管理提供了依据.
关键词：大倾角煤层；FLAC3D数值模拟；覆岩运动规律；非对称性；工作面安全管理 中图分类号：TD 323 文献标志码：A
Law of overburden strata above longwall coal mining
face in high inclined seam based on FLAC3D
ZHANG Chunlei1, ZHANG Shiqing1, ZHAO Jianjian1, LI Zengfeng1,2, MA Yue1
（1. School of Resources and Safety Engineering, China University of Ming & Technology, Beijing 100083,
China; 2. Xin Jiang Coking Coal Group CO,.LTD. Wulumuqi 830025,China）
Abstract: For the study of overburden strata movement law in high inclined seam, this paper established the model based on FLAC3D, and monitored the vertical stress and displacement of roof and floor in 25221 Large-mining-height in different forward distance, and then obtained the overburden strata space activity law by monitoring and analyzing the shield working resistance of the high inclined seam workface. The results showed that during the mechanized strike longwall coal process in the high inclined seam, the movement of overburden strata in top area was more active than the low area along the inclined direction of the coal mining face. The research conclusion provides basis for the safety management of hydraulic support.
Key words: high inclined seam; FLAC3D numerical simulation; overburden strata activity law; asymmetry; Safety management of workface
0 引 言
大倾角煤层是指倾角在35o～55o之间的煤层.中国大倾角和急倾斜煤层大概占有15%～20%的储量，其年产量约占全国煤炭总产量的10%.由于煤层倾角大，工作面覆岩运移规律和矿压显现规律与一般煤层不同，在开采大倾角煤层过程中出现了许多由于开采方法和围岩问题造成的安全事故，加之随着埋藏条件较好煤层的减少，解决大倾角工作面围岩运移、变形和破坏规律对实现大倾角煤层的安全高效开采具有十分重要的理论意义和实践价值[1-5].
1 工程概况
1.1 工作面地质条件
新疆焦煤集团2130煤矿矿井主要开采煤层属
下侏罗纪八道湾组煤层，煤种为优质炼焦用煤，煤岩层倾角在35o～52°之间，井田煤层为单斜构造，走向近东西，向南倾斜.其目前开采的25 221工作面位于二采区5#煤层，工作面开采上部以+2 120 m水平为界，下部以+2 047 m水平为界，东以15#沟保护煤柱为界，西以5号煤层尖灭带为界，东西走向长约2 138 m，南北宽114 m.工作面范围内总体构造为单斜构造，走向近东西，向南倾斜，井田内煤层倾角一般在40o～46o之间，平均角度43o，煤
收稿日期：2013-09-29
基金项目：国家重点基础研究计划基金资助项目（973）；（2013CB227900）；国家级大学生创新科技训练计划基金资助项目（201311413004） 作者简介：张春雷（1989-），男，山东 泰安人，硕士研究生，主要从事矿山压力及其控制方面的研究. 本文编校：张 凡
第6期 张春雷，等：大倾角综采工作面覆岩运移规律 层倾角自东向西逐渐增大.工作面直接顶为2.6 m的粗砂砾岩，灰白色钙质胶结，遇水易软化.老顶为16.2 m厚粗砂砾岩，中间夹杂有沙砾岩，岩石单向抗压强度为79.9～100.2 MPa，为坚硬顶板.直接底为1.5 m厚灰黑色粉砂岩厚层状，中间夹杂有煤线.25 221工作面煤层柱状图见图1.
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的支架的重量更大、体积也相对更大，导致发生事故时处理的难度也更大.
大倾角煤层开采后覆岩的空间结构与水平煤层开采有很大不同，倾斜煤层开采后会沿倾斜工作面形成非对称壳体结构[6-8]，如图2所示，且覆岩垮落包络线随工作面倾角的变化而变化，壳体的走向剖面为半椭圆形状，在工作面上部壳体高度最大，沿工作面向下壳体高度越来越小，到工作面下端头达到最低，且壳体结构与煤层倾角，覆岩岩性以及工作面推进速度等有关.
工作面回风巷
工作面运输巷
图1 25221工作面煤层柱状图 Fig.1 histogram of 25221 working face
煤层倾角
垮落包络线
1.2 工作面生产技术条件
25221工作面采用大采高综合机械化采煤工艺，工作面基本支架型号为ZZ6500/22/48，工作面采用MG400/920－QWD采煤机单向割煤（即下行割煤），进刀方式为端部斜切进刀（50#支架处），待机身全部进入煤帮后，下行割煤，然后上返清理浮煤，最后割三角煤，截深0.6 m，工作面采用SGZ800/ 2×400中双链刮板输送机运煤，运输巷SZZ730/110中双链刮板转载机及DSJ80/40-75*2胶带输送机运煤.工作面采用超前预爆，全部垮落法管理顶板，采用“三八工作制”、“两班采煤一班准备”，即中班、夜班生产，白班半班准备、半班割煤，每班工作八小时.中班、夜班各两个循环，循环进尺 0.6 m，日进度3.0 m.
图2 大倾角煤层开采后壳体结构 Fig.2 shell structure of high inclined seam
覆岩的运动直接影响支架的稳定性，而支架的工作阻力变化也能反应覆岩运动规律，因此通过数值模拟研究大采高采场覆岩应力和位移规律，并结合现场液压支架阻力变化进一步研究大采高采场覆岩运动规律，为工作面“支架-围岩”系统的稳定性提供理论指导.
3 数值模拟
通过FLAC3D数值模拟[9]，分别模拟25221大倾角工作面推进不同距离时的顶底板塑性区、垂直应力以及位移分布，进而比较合理、系统地研究以及模拟构造应力场影响下的采动围岩应力分布规律及其稳定性. 3.1 建立模型
为了消除边界效应的影响，对整个模型的尺寸设为150 m（x）×200 m（y）×363.4 m（z）.模型共分为9层，为保证模型的精确度，在煤层部分及其煤层顶底板部分网格划分较为细致，且边缘均有 40 m左右的保护煤柱；整个计算模型共划分为 176 000个单元体，187 265个网格节点；模型前后、左右四个面只约束其法向自由度，底面约束x、y、z三个方向的自由度，顶面无约束；由于没有该地
2 大倾角煤层开采覆岩结构分析
在煤层开采过程中，底板-支架-覆岩共同组成一个系统，在上覆岩层运动以及底板岩层损伤等多种因素的共同综合相互作用下，液压支架的受力状态不可避免的发生恶化，严重的情况下，有时会造成液压支架主要部件的损坏甚至整个液压支架的损坏或报废.相同地质状况下，相比较分层开采与放顶煤开采，由于倾斜大采高煤层开采空间更大，其采场的支架支护难度更大，故发生“支架-围岩”压架、倒架的事故概率也更大，另外，大采高工作面
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资料及研究范围对采空区冒落矸石与支护结构等材料的力学参数进行了适当调整，采用Mohr- Coulomb屈服准则[10].岩石力学参数见表1.
区地应力测量的资料，故计算过程中不考虑水平构造应力的影响.工作面沿x轴布置，沿y轴方向推进，工作面长约100 m，共计推进长度为80 m.结合地质
表1 FLAC3D计算采用的岩石力学参数
Tab.1 rock mechanics parameters calculated using of FLAC3D
力学参数
岩层 中砂岩 直接顶粗砂砾岩
5煤层 直接底粉砂岩
粉砂岩 粗砂岩
#
密度/（kg·m-3）
2 500 2 200 1 500 2 200 2 400 2 500
体积模量/GPa
30.0 11.0 2.2 12.0. 25.5 28.0
切变模量/GPa
25.0 10.0 1.8 10.0 22.0 25.0
内摩擦角/(°)
39 36 29 37 39 39
内聚力/MPa
4.0 1.7 1.1 1.9 3.8 4.0
抗拉强度/MPa
3.6 1.4 0.9 1.5 2.5 3.2
3.2 模拟结果分析
工作面推进不同距离沿走向和倾向的垂直应力云图见图2.其中工作面沿走向垂直应力云图为y
沿工作面中心垂直x轴截图，工作面沿倾向垂直应力云图为距工作面20 m垂直y轴截图
.
（a）推进40 m沿走向垂直应力 （b）推进80 m沿走向垂直应力
（c）推进40 m沿倾向垂直应力 （d）推进80 m沿倾向垂直应力 （e）推进40 m工作面覆岩位移
图3 25221工作面FLAC3D模拟
Fig.3 stress nephogram of 25221 working face
从图3（a）和图3（b）可以看出，大倾角煤层工作面沿推进方向垂直应力云图呈左右对称状，与近水平煤层垂直应力分布几乎相同，都在开切眼处和工作面煤壁处形成应力集中现象，工作面推进40 m时煤壁处支承压力峰值为6 MPa，应力集中系数约为1.2，随着工作面继续推进到80 m时，煤壁处支承压力峰值为7 MPa，应力集中系数约为1.3.说明沿推进方向与一般倾角煤层具有相似的矿压显现特征.
从图3（c）和图3（d）可以看出，工作面上
下端头出现应力集中现象，与近水平煤层相似，不同的是下端头应力集中系数更大，这与煤层开挖后，直接顶冒落，覆岩遭到破坏，强度降低，煤层开挖造成的矿山压力转移到煤壁有关.工作面顶板覆岩出现上大下小的倒立“勺型”，覆岩应力分布呈非对称性分布，工作面沿倾斜方向上部区域应力释放范围（卸压区域）较其下部明显，影响范围从上到下逐渐减小，底板与顶板的应力分布特征相反.比较图3（c）和图3（d）图可以看出，工作面在推进80 m时较工作面推进40 m时，顶板卸压范围
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