大采高开采覆岩结构及运动特征数值分析

张凯峰

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿， 山西 古交 030205）

国内外大多数采矿研究者都对大采高影响产生的采场压力显现规律和顶板岩层运动规律给予密切的关注，因为研究的煤矿地质环境不仅多样而且比较复杂，我国采高大的综采面液压支架失稳问题比采高小的综采面产生的问题更为严重，平均事故率达到6%～20%以上，因此在采矿生产实践中，大采高综采面特殊的矿压规律研究己成为亟待解决的问题[1-4]。国外厚煤层环境较少，适用大采高综采的国家寥寥无几，而在美国、澳大利亚等厚煤层较多的国家大部分采用房柱式采煤的方法，目前我国采矿工作者对大采高综放工作面以及巷道围岩控制技术进行了相应的研究，但大采高综采研究时间较短缺乏实践探索经验，而各个研究领域所观测的矿压数据和提供的研究结果，仅对局部相似环境的采矿研究提供一些参考价值，还不能直接引用到其他条件的研究[5-8]，因此，本文通过FLAC3D 数值模拟软件对山西某煤矿15302 工作面为研究对象，研究大采高开采覆岩结构及运动规律。

1 工作面概况

山西某煤矿15302 工作面为两巷布置，两条顺槽与二盘区三条大巷的夹角为76°20′向东开掘。2203 皮带顺槽、5203 辅助运输顺槽沿煤层底板掘进。5 号煤层顶板至大同组最下部可采煤层之间由永定庄组、上下石盒子组及山西组地层组成，其岩性为砂岩、砂质泥岩及泥岩，以半坚硬岩石为主，其厚度在143.7～573.0 m。

根据工作面钻孔资料综合分析煤层顶板岩性自下而上为：灰褐色高岭质泥岩、炭质泥岩，薄层状、含植物化石碎片，性脆。3 号—1 号煤层，厚度为1.09 m。灰褐色、灰白色高岭质泥岩、粉细砂岩互层，高岭质泥岩，含不完整植物化石，粉细砂岩，水平层理发育，下部具垂直节理。2 号煤层，厚度为3.84 m。灰褐色、深灰色、灰色、高岭岩、粉细砂岩、砂质泥岩、高岭质泥岩，薄层状，粉细砂岩、泥质胶结，含植物化石、水平层理、中厚层状、磨圆度均好。

2 数值模拟

2.1 计算模型的建立

2.1.1 模型方案及尺寸

模型分为4 m 采高和6 m 采高两种，尺寸均为300 m×300 m×300 m。开挖90 m。三维有限元模型示意图如图1 所示。

图1 三维有限元模型示意图(300 m×300 m×300 m)

2.1.2 几何模型参数确定

根据FLAC3D 模拟要求，作如下假设，第一模型上部边界达到地表，其载荷在模型上分布均衡，第二模型内部各层的应力分布只受采深的影响，且随采深的增加相应增加，同一层应力相同。

2.1.3 模型边界条件及各岩层物理力学参数

根据模拟需要，其模型的物理力学参数（弹性模量，剪切模量，剪切力，拉应力，内摩擦角，内聚力）参照山西该煤矿15302 工作面岩石力学性质，如表1所示。

表1 岩石物理力学参数

2.2 模拟计算及结果分析

2.2.1 大采高工作面煤层应力分布规律

随着大采高综放面的推进，其推进位置直接影响着煤层应力集中分布强弱，总体上应力值由工作面的中部向两侧呈递减趋势，在工作面中部，应力高且分布广，在工作面两侧，应力相对较低并且分布范围窄。

计算结果表明工作面超前应力集中系数不是常数，由图2 可见，在沿着煤层倾向剖面上，工作面超前支承压力与工作面位置的远近成反比关系。同时，沿倾向煤层内的超前支承压力从工作面中部向两侧经历了由高到低的变化过程。

图2 沿倾向不同距离处煤层垂直应力分布

2.2.2 大采高工作面沿走向采场围岩破坏特征

图3 给出了工作面走向围岩破坏特性和破坏分布范围。大采高工作面周围局部煤岩几乎全部处于屈服破坏状态。工作面煤岩处于塑性屈服状态主要集中在煤壁前方5～10 m 范围内，而在煤壁前方10～15 m 煤层中部分少许煤岩处于破坏恢复过程，工作面底板煤岩要比顶板及煤层内的破坏区域更大。在工作面中部的煤壁后方10 m 处还有部分煤岩存在拉破坏。而在工作面两侧的围岩破坏的特征如图4所示，从图可见，工作面顶底板煤岩存在严重的拉破坏和剪切破坏，工作面两侧的煤壁前方处于塑性破坏区域分布范围达15 m，而且与工作面中部的煤岩屈服破坏情况相反，顶板的破坏范围比底板和煤层的范围要大。

图3 工作面走向围岩破坏特性和破坏分布

图4 沿工作面两侧距边界7 m 处围岩破坏分布

图5 工作面周围破坏区分布

2.2.3 大采高工作面煤层破坏特征

图5 给出了工作面周围煤层内的破坏区分布。由图5 可见，开采时沿倾向工作面前方煤体的塑性区宽度基本一致，影响范围在工作面前方5～10 m。工作面的两侧影响范围较中部超前5 m，且煤体两侧部分出现塑性屈服高峰破坏后期的恢复过程（三维应力处于煤体屈服极限以内）。破坏性质基本属于剪切破坏。在工作面后方。随着远离工作面，两侧实体煤边缘的塑性破坏区出现峰后状态恢复现象。

2.2.4 不同采高覆岩破坏特征

根据上述对围岩破坏特征分析，并结合矿井实际和相似模拟实验，对6 m 采高和4 m 采高的覆岩破坏特征进行了分析，得出如下。

1）采高4 m 时的覆岩冒落带高度为13.5 m，小于采高6 m 时的覆岩冒落带高度22.4 m，相差了4.9 m。而且采高4 m 时的覆岩冒落带高度为采高的3.38 倍，采高6 m 时的覆岩冒落带高度为采高的3.75 倍，相差了 0.37 倍。

2）采高6 m 时的导水裂隙带高度87.5 m，大于采高4 m 时的覆岩导水裂隙带高度47.3 m，采高6 m时的导水裂隙带高度是采高的14.58 倍，采高4 m时的覆岩导水裂隙带高度是采高的的11.83 倍。

3）采高6 m 时的导水裂隙带高度与采高4 m 时的覆岩导水裂隙带高度相差了40.2 m，而且采高6 m时的导水裂隙带高度和采高的比值与4 m 时的覆岩导水裂隙带高度和采高的比值相差了2.755。

可以看出，在大采高开采情况下，不管是冒落带和导水裂隙带的高度，还是冒落带与采高的比值和导水裂隙带的高度与采高的比值，都有了很大的增加。这与采高4 m 的直接顶包括了2 m 的顶煤有直接的关系，所以采高4 m 时冒落带、导水裂隙带的高度，以及冒落带、导水裂隙带的高度与采高的比值相对较小。但是采高6 m 时的覆岩破坏形态与采高4 m时的覆岩破坏形态基本相同。

3 结语

1）随着大采高综放面的推进，其推进位置直接影响着煤层应力集中分布强弱，总体上应力值由工作面的中部向两侧呈递减趋势，在工作面中部，应力高且分布广，在工作面两侧，应力相对较低并且分布范围窄。

2）工作面顶底板煤岩存在严重的拉破坏和剪切破坏，工作面两侧的煤壁前方处于塑性破坏区域分布范围达15 m，而且与工作面中部的煤岩屈服破坏情况相反，顶板的破坏范围比底板和煤层的范围要大。

3）开采时沿倾向工作面前方煤体的塑性区宽度基本一致，影响范围在工作面前方5～10 m。同时工作面的两侧影响范围较中部超前5 m，并且两侧煤体局部出现塑性屈服破坏后的峰后状态恢复（三维应力处于煤体屈服极限以内），破坏性质基本属于剪切破坏。在工作面后方，随着远离工作面，两侧实体煤边缘的塑性破坏区出现峰后状态恢复现象。

4）在大采高开采情况下，不管是冒落带和导水裂隙带的高度，还是冒落带与采高的比值和导水裂隙带的高度与采高的比值，都有了很大的增加。