急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞機理研究

林劉軍，袁 穩

(1.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學，河南 焦作 454000)

0 引 言

急傾斜煤層的儲量占我國煤炭總儲量的10%～20%，但對急傾斜煤層開采引起周邊巖層變形性規律及巖層移動控制技術的相關研究，尚無法解決急傾斜開采工作面圍巖變形大、采空區地表沉降量大且控制技術難等問題，這也導致急傾斜煤層的開采量不足我國煤炭總開采量的4%，采取適當的方法對采空區予以填充是亟待解決的難題之一。姚琦等[1-3]采用模型試驗和數值模擬等方法，對頂板初次斷裂應力分布規律、傾向覆巖破壞特性及移動規律，以及柱體失穩機理和合理尺寸進行了一系列研究；伍永平等[4]針對大傾角煤層開采提出了“R-S-F”系統動力學控制理論，其研究成果奠定了大傾角煤層開采的理論和技術基礎；來興平等[5]基于聲波檢測技術對采空區衍生災害進行了現場監測研究；李楊等[6]以潘東公司18328綜采工作面為背景，對工作面礦壓顯現規律和兩巷礦壓顯現特性進行了研究；莊又軍等[7]對復合頂板綜采面沿空留巷技術進行了研究，并在軍城煤礦31203綜采工作面中成功應用。

以上針對急傾斜煤層開采的研究成果具有較為明顯的差異性，但所有學者均認為急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板的破壞不均勻，且隨著地層特性的變化而變化。本文選取豫西某煤礦工作面(以下簡稱“工作面”)作為研究對象，借助于FLAC3D有限元差分軟件，對急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞機理進行了研究，揭示了工作面最大撓度和最大主應力的出現位置，對該煤礦及具有類似特點的急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞研究具有指導意義。

1 工作面概況

豫西某煤礦1957年投產時設計生產能力為15萬t/a，現有資源儲量約為1 216萬t，預計可采煤炭儲備量約為813萬t，煤礦改擴建后設計生產能力預計達到21萬t/a。工作面南北走向長度為800 m，傾向斜長95～105 m，煤層厚度為0.2～9 m，平均厚度約1.8 m，預計可采量19萬t。煤層走向約30°，傾向約120°，傾角為6.5°～85.5°，平均傾角約66°。工作面附近圍巖以粉砂巖、中砂巖和砂泥巖為主，主采煤層厚度為0.1～29 m，平均層厚為1.8 m，埋深約122.5 m。實測主采煤層及附近圍巖物理力學計算參數見表1。

2 底板巖梁受力分析

2.1 底板受力分析

急傾斜煤層開采過程中，底板重力沿煤層層面上的分力會隨著煤層傾角的增大而增大，煤層傾角越大，底板向下產生滑移的可能性越大。對于充填段，充填體將直接頂和底板連接起來，一方面對直接頂起到支撐作用，另一方面對底板的滑移變形起到控制作用。而對于未充填段，煤層開采后，直接頂上的矸石在自重作用下發生掉落，掉落的矸石堆積在采空區底部，對采空區下部直接頂起到支撐作用，并減小采空區下部底板的滑移變形[8-12]。圖1為采空區底板受力示意圖。

表1 圍巖物理力學計算參數

圖1 采空區底板受力示意圖

2.2 支承壓力分布

隨著急傾斜煤層開采工作面的推進和采空區域逐漸擴大，采空區四周將會出現應力集中現象，從而導致采空區頂板和底板承受的支承壓力變大，急傾斜工作面中心走向應力分析如圖2所示[8-12]。

圖3為急傾斜工作面傾斜方向支承應力的分析圖。由圖3可知，兩種情況下工作面均沿水平方向和層面方向受力；工作面上沿層面方向在上順槽上方和下順槽下方均會出現應力集中現象，應力最大值約為初始應力的2～4倍。在工作面前方，水平方向的支承應力也會出現應力集中現象，而該集中應力是決定工作面底板穩定性的最重要因素。

圖2 急傾斜工作面中心走向應力分析

圖3 急傾斜工作面傾斜方向支承應力分析

3 底板破壞的數值模擬研究

3.1 模型建立

為了研究分段充填技術對工作面底板的影響，選取寬度為11 m、跨度為25 m的充填方式，借助于FLAC3D有限差分軟件對工作面推進不同尺寸時底板的應力、位移和塑性區域變化的規律進行數值模擬研究，計算模型如圖4所示。模型大小為210 m×210 m×210 m，模型底部和側面設置為位移邊界，測壓系數取1.14，上表面設置為上部圍巖的自重應力邊界，本構模型選取Mohr-Coulomb屈服準則[13]，工作面周邊圍巖物理力學計算參數見表1，充填體計算參數見表2。為便于表述，沿y=50面作切面，對工作面底板應力分布、位移變化以及塑性區變化規律進行分析。

圖4 數值計算模型

3.2 應力分布規律分析

圖5為不同工作面推進尺寸下σxy的變化云圖。由圖5可知：①底板σxy應力的卸壓區域出現在煤層開采工作面中間偏上位置；②底板σxy應力的卸壓區域隨著工作面的加深逐漸擴大，且卸壓區域明顯向底板深度方向擴展，相比于工作面深度為20 m時的卸壓區域大小，80 m時卸壓區域為原來的2.5倍左右；③σxy的最大應力值始終在工作面下端頭位置出現。

表2 充填體物理力學計算參數

圖6為不同工作面推進尺寸下σyz的變化規律，由圖6可知：①最大σyz應力出現在煤層開采工作面中間偏上位置，且其大小隨著煤層開采工作面的加深變化范圍較小，最大值保持在3.9 MPa左右；②底板σyz應力的卸壓區域隨著工作面的加深逐漸擴大，且卸壓區域明顯向底板深度方向擴展。

圖5 不同工作面推進尺寸下σxy的變化云圖

圖6 不同工作面推進尺寸下σyz的變化云圖

圖7 不同工作面推進尺寸下σzx的變化云圖

圖8 不同工作面推進尺寸下底板垂直位移變化云圖

圖9 不同工作面推進尺寸下底板水平位移變化云圖

圖7為不同工作面推進尺寸下σzx的變化規律，由圖7可知：①最大σzx應力出現在煤層開采工作面底板端部位置，且其大小隨著煤層開采工作面的加深變化范圍不大，最大值保持在2.3 MPa左右；②當工作面深度超過20 m后，底板σzx應力的卸壓區域隨著工作面的加深基本沒有變化。

3.3 位移變化規律

圖8和圖9為不同工作面推進尺寸下工作面底板在垂直方向和水平方向上的位移變化。由圖8和圖9可知：①工作面開挖過程中，底板最大垂直位移出現在工作面中部，當工作面進尺超過20 m后，垂直位移持續增大，但增大量逐漸減小；②工作面開挖過程中，底板最大水平位移出現在工作面中部偏下位置，和垂直位移類似，當工作面進尺超過20 m后，水平位移也持續增大，但增大量逐漸減小；③從工作面底板位移變化規律可見，開采過程中，底板最有可能發生破壞的位置是工作面中部和中部偏下的位置；④當工作面底板發生破壞后，底板上部會隨之發生位移，并向工作面下部逐漸擴展。

圖10 不同工作面推進尺寸下底板塑性區變化云圖

3.4 塑性區擴展

圖10為不同工作面推進尺寸下底板塑性區變化云圖。由圖10可知：①工作面塑性區域集中在底板中下部，這主要是因為開挖過程中工作面上部會出現坍塌(如矸石在自重作用下發生掉落等)，進而導致工作面上部應力降低，而塑性變形會朝著應力較為集中的地方(底板中下部)發展所致；②隨著煤層開挖工作面的加深，底板塑性區的深度和范圍均逐漸增大，地層受煤層開采的影響區域也逐漸加深。

4 結 論

1) 采空區充填體能將直接頂和底板連接起來，從而對直接頂起到支撐作用并對底板的滑移變形起到控制作用；充填體強度越高，對底板的加固效果越好。

2) 填充后，底板σxy和σyz的最大值出現在工作面中間偏上位置，σzx的最大值出現在底板端部位置；隨著工作面開挖深度的增大，三個應力的最大值變化幅值并不大，但其σxy和σyz的卸壓區會明顯增大，而σzx的卸壓區則基本沒有變化。

3) 工作面開挖過程中，底板最大垂直和水平位移分別出現在工作面中部和中部偏下位置處，隨工作面深度的增大位移也持續增大，但增大量逐漸減小；塑性區域集中在底板中下部，且隨著煤層開挖工作面的加深，底板塑性區的深度和范圍均逐漸增大，地層受煤層開采的影響區域也逐漸加深。