傾斜煤層采場礦壓顯現規律研究

李全軍

（安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001）

對于傾斜煤層的開采，覆巖的結構隨著煤層傾角的變化將與一般近水平煤層開采的情況有很大的不同。由于巖體的破壞和運動等力學行為不能再看成是連續介質的行為，所以本文將利用離散元模擬軟件UDEC對大傾角煤層工作面開采覆巖的結構進行模擬和分析，從中總結不同傾角煤層開采覆巖結構的規律，并進行了現場監測。

1 工程概況

山西呂梁礦區某礦1025工作面，主采煤層為5＃煤，煤層埋深500m左右。1025工作面長度160m，煤層傾角18°～26°，平均22°，工作面煤層節理發育，煤層結構復雜，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層，工作面頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板特征

2 大傾角厚煤層采場覆巖結構運動數值計算模型

2.1 數值計算模型的建立

為便于比較研究不同煤層傾角下采動后頂底板巖層的運動，建立傾角為22°的數值計算模型，模擬分析工作面推進40m、80m、120m及160m時，上覆巖層的垮落情況。根據該工作面綜合柱狀圖信息，對巖層分層參數作了合并均勻化處理（煤巖層參數見表2），建立了與實際情況基本吻合的UDEC數值計算模型，煤層埋深為500m，煤層厚6m，數值模擬原型如圖1所示。

圖1 工作面數值計算模型圖

表2 數值計算參數

2.2 數值模擬計算結果分析

工作面推進40m、80m、120m及160m時上覆巖層的垮落情況如圖2所示，其中圖（a）、（b）、（c）、（d）中右圖為左圖工作面附近的放大圖。

圖2 工作面推進時覆巖結構與運動

由圖2可知：當工作面推進40m時，在靠近采場兩側煤壁發生巖層切落，說明此時工作面老頂初次來壓已來臨；冒落帶最大高度位于采場中部覆巖層中，約2.0m左右；裂隙帶高度約6.5m，并在采場中部覆巖層中出現離層；彎曲下沉帶的范圍較小，且彎曲下沉的位移也較小。

當工作面推進80m時，采場下端切落角度較大，另一側切落角度較小；冒落帶最大高度位于采場中部靠下的覆巖中，約10.9m左右；裂隙帶高度約21.9m；在工作面兩側煤壁覆巖中，離層發育較多；彎曲下沉帶的范圍略有擴大，下沉位移值有小幅上升。

當工作面推進120m時，采場下端切落角度較大且切落現象明顯，另一側切落角度較小；冒落帶高度只有小幅上升，約15m；裂隙帶高度擴展到約38.5m；離層多發育于采場兩側煤壁上方的覆巖中，且靠近工作面下端一邊覆巖中離層較多；彎曲下沉帶的范圍急劇增大。

當工作面推進160m時，采場下端切落范圍進一步增加；冒落帶高度保持在15m不變，裂隙帶高度約63.9m，離層多發育于采場兩側煤壁上方的覆巖中，且靠近工作面下端一邊覆巖中離層較多；彎曲下沉帶的范圍進一步擴大，但下沉量增幅較小。

3 工作面礦壓顯現的現場觀測

3.1 工作面礦壓測點布置

工作面未回采之前，就布置了礦壓觀測站，工作面共布置了7個礦壓觀測站，觀測儀器采用尤洛卡公司生產的KBJ－60型礦壓觀測儀監測工作面推進時支架的工作阻力變化情況，測站布置如圖3所示。

圖3 工作面礦壓觀測測站布置圖

3.2 測試結果分析

3.2.1 工作面來壓步距

根據工作面礦壓監測結果，將工作面初次來壓步距和周期來壓步距進行統計并生成見表3。

表3 各個測站部位頂板的周期來壓步距

由表3可知：工作面初次來壓步距平均為35.4m，工作面中部最先來壓，其次是工作面中上部，工作面中下部最后來壓，對應于數值模擬計算結果；工作面下部初次來壓步距大于工作面上部來壓步距；周期來壓步距分析如下：

工作面下部：頂板周壓步距14.5～18.1 m，離散性較小，平均周期來壓步距為16.5 m；工作面中下部：頂板周壓步距13.5～17.8 m，離散性中等，平均周期來壓步距為15.8 m；工作面中部：頂板周壓步距13.9～17.9m，離散性較小，平均周期來壓步距為15.5m；工作面上部：頂板周期來壓13.9～17.9m，離散性較小，平均周期來壓步距為15.4m；各部位老頂周期來壓步距15～16.5m，平均15.7m。總體而言，周期來壓步距波動不大。

3.2.2 來壓動載系數

根據支架工作阻力監測結果，對工作面各部位支架的來壓動載系數進行統計并生成見表4。

表4 各部位支架實測頂板來壓時動載系數

由表4可知：就老頂周期來壓前后支架的工作末阻力增加而言，來壓前支架的平均工作阻力為4 730kN，來壓時工作阻力為7 085kN，平均動載系數為1.50，屬周期來壓較明顯的綜采工作面；工作面上部、中部和下部來壓動載系數1.39～1.64，動載均勻；來壓前，各部位的靜荷載3 051～5 769kN，來壓時支架動荷載6 295～7 495kN，來壓前后支架工作阻力分布比較均勻。

4 結論

通過對1025工作面數值模擬計算及現場監測，得出結論如下：

傾斜工作面1025推進時，采場下端切落角度較大且切落現象明顯，工作面下部垮落范圍明顯大于工作面上部，冒落帶高度穩定在15m，而裂隙帶隨著工作面的推進進一步增加，達到63.9m。

工作面初次來壓步距平均為35.4m，工作面下部初次來壓步距大于工作面上部初次來壓步距值；工作面周期來壓步距平均值為15.7m，最小值為13.5m，最大值為18.1m，離散值總體較小。

工作面來壓時的動載系數為1.39～1.64，平均為1.50。

［1］ 姜曉磊，潘宇，張美微，等.傾斜煤層開采相似材料模擬實驗［J］.安徽理工大學學報（自然科學版），2011，31（1）：68－70.

［2］ 趙娜，王來貴，李建新.急傾斜煤層開采地表移動變形數值模擬［J］.哈爾濱工業大學學報，2011，43（sup.1）：241－244.

［3］ 高明中.急傾斜煤層開采巖移基本規律的模型試驗［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（3）：441－445.

［4］ 賀林.烏魯木齊礦區急傾斜煤層開采地表移動變形規律研究［D］.西安：西安科技大學，2008.