ABSTRACT

The FLAC^3D numerical simulation software was used to simulate the movement pattern of overlying strata, the distribution law of mining stress along the working face and the evolution law of plastic zone after mining. It is concluded that in the process of working face mining , the roof is affected by the effect of mining and unloading. The vertical deformation of the roof appears unloading and deforming vertically, causing the roof to separate from the ground and to fall off. The bottom plate appears vertical upward unloading and expansion deformation coal roof deformation is greater than the floor. With the continuous advancement of the working face, the evolution law of roof displacement in the goaf is similar to that of the ellipse with the axial ratio. When the axial ratio is close to 1, the influence area of the roof subsidence is approximately “O”. After coal seam mining, stress concentration occurs in front of and behind the work surface. Due to the continuous advancement of the work surface, the coal wall and the goaf continuously move forward, resulting in the stress of the bearing in the front and the back of the work surface being the movable support stress. After coal mining, the plastic zone appears around the working face, and with the increase of working face recovery distance, the plastic zone area increases gradually.

Keywords:Gently Inclined Coal Seam, Underground Pressure, Numerical Simulation

缓倾斜煤层矿压显现规律的研究

杨玉顺^1,2，张东明^1,2，孙文德³，杨松³，张祥^1,2

¹重庆大学，煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆

²重庆大学，资源及环境科学学院，重庆

³四川芙蓉集团实业有限责任公司杉木树煤矿，四川 宜宾

收稿日期：2018年3月28日；录用日期：2018年4月16日；发布日期：2018年4月23日

摘 要

通过FLAC^3D数值模拟软件模拟研究了缓倾斜煤层工作面的上覆岩层运移形态、沿工作面倾向采动应力分布规律，以及工作面回采后塑性区演化规律。得出：工作面回采过程中，工作面顶板受开采卸荷作用的影响，顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形，引起顶板的离层、冒落，底板出现垂直向上的卸荷膨胀变形，且煤层顶板变形大于底板；随着工作面的不断推进，采空区顶板位移演化规律近似于椭圆形随轴比变化，当轴比接近1时，顶板下沉影响区域近似为“O”形；煤层回采后，工作面前后方出现应力集中现象，由于工作面不断推进，煤壁和采空区不断向前移动，导致工作面前后方支承应力是移动型支承应力；煤层回采后，工作面周边出现塑性区，且随着工作面回采距离的增加，塑性区面积逐渐增大。

关键词 :缓倾斜煤层，矿压显现，数值模拟

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1. 引言

随着综采技术的推广应用，我国煤炭资源开采的技术水平和经济效益得到的进一步的改善。同时我国学者对工作面回采过程中的矿压显现规律进行了大量的研究，已取得了较为丰富的成果。王庆雄等 [1] 研究了近距离煤层层间距大小对下部煤层开采时工作面的矿山压力影响规律。姜鹏飞等 [2] 研究了近距离上部煤层遗留煤柱应力传递对顶板和底板应力分布的不同影响，进而解决了下部煤层工作面的布置以及采场支护问题。张百胜等 [3] 采用数值模拟方法，研究了上层煤柱支承压力在底板的分布规律和对下煤层巷道矿压显现的影响，从而为近距离下部煤层巷道的布置提供理论依据。毛德兵等 [4] 根据综放开采技术，提出了大采高综放开采的概念。翁明月等 [5] 根据微震事件变化间接反映工作面矿压显现，认为微震事件峰值出现的时间一般略早于工作面周期来压。刘志成 [6] 在分析大倾角煤层综放工作面矿压显现的基础上，通过相似模拟试验，确定了靖远王家山矿大倾角煤层综放液压支架工作阻力。黄庆享 [7] 根据不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测结果，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律；杜峰等 [8] 针对薄基岩综放采场建立了厚黏土层薄基岩综放采场基本顶周期来压岩层破断的力学模型；杨敬轩等 [9] 以石屹台煤矿为背景，对不同支撑边界条件下坚硬厚顶板破断及来压特征进行了分析研究；赵毅鑫等 [10] 基于H-B参数确定方法的多煤层开采工作面矿压显现规律开展研究。

本文依据杉木树矿S3012工作面地质资料，分析工作面回采过程中矿压显现规律，以期对类似缓倾斜煤层开采支护和灾害防治提供理论依据。

2. 工作面概况

四川芙蓉集团实业有限责任公司杉木树煤矿S3012工作面所采煤层为2 + 3#煤层，工作面走向长度752 m，工作面倾斜长度136 m，煤层2˚~6˚，煤厚0.8 m~4.4 m，平均3.1 m。煤层直接顶为砂质泥岩，厚度约3.0 m。煤层与直接顶之间有一层约0.4 m的伪顶，伪顶为薄层状泥岩，易碎，随回采垮落。基本顶为深灰色中厚层状粉砂岩，平均厚度6 m。直接底为粘土岩，松软遇水膨胀，平均厚度为2.8 m。基本底为砂质泥岩，含砂岩，平均厚度大于5 m。煤层为煤与瓦斯突出煤层，煤层瓦斯含量17.37 m³/t，瓦斯压力为1.32 MPa。工作面采用走向长臂后退式回采，全部冒落法管理顶板，U型通风方式。S3012工作面附近地层见表1。采煤工作面巷道空间布置如图1所示。

3.数值计算模型及参数

3.1. Mohr-Coulomb塑性模型

Mohr-Coulomb(莫尔-库仑)塑性模型通常用于描述岩石材料的剪切破坏，该准则认为岩石承载的最大剪切力由内聚力c和内摩擦角φ确定，直线型Mohr-Coulomb强度准则可表示为：

$\tau =c+\sigma \tan \phi$ (1)

主应力表述表示为：

${\sigma }_1=\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }{\sigma }_3+\frac{2c\cos \phi }{1-\sin \phi }$ (2)

由Mohr-Coulomb屈服函数可得到岩石剪切破坏准则为：

$f_s={\sigma }_1-\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }{\sigma }_3-\frac{2c\cos \phi }{1-\sin \phi }$ (3)

图1. 采煤工作面空间巷道布置图

表1. 采煤工作面附近地层表

当f_s < 0时，岩体将发生剪切破坏。

式中，σ为正应力；σ₁、σ₃分别为最大、最小主应力。

3.2. 模型参数

选择模型尺寸为长 × 宽 × 高 = 400 m × 200 m × 150 m，采用FLAC^3D软件建立三维模型，见图2所示。模型顶部施加均匀载荷，上覆岩体平均容重γ取24 kN/m³，侧压力系数λ取值为1.0。模型两侧施加水平应力，底部位移约束。本构模型采用Mohr-Coulomb破坏准则，深入揭示工作面回采过程中煤岩体位移、应力和塑性区等变化规律。

4. 结果分析

为了更加形象的表示出工作面回采过程中顶底板位移、应力和塑性区变化规律，对三维模型沿X方向做剖面（即X = 100 m剖面），分别进行分析。工作面开挖尺寸如图3所示。

图2. FLAC^3D三维数值模拟模型

图3. 工作面回采尺寸

4.1. 位移分析

不同开挖距离下X = 100 m平面的顶底板位移云图如图4所示。

由图4可知，工作面回采后在工作面顶底板出现变形，顶板出现下沉，底板鼓起，且顶板位移大于底板位移。随着工作面的推进，顶底板位移均逐渐增大，工作面开挖5 m时，顶板位移为49.07 mm，底板位移为59.71 mm；工作面开挖50 m时，顶板位移为0.297 m，底板位移为0.2 m；工作面开挖100 m时，顶板位移为0.77 m，底板位移为0.27 m；工作面开挖150 m时，顶板位移为1.55 m，底板位移为0.33 m；工作面开挖200 m时，顶板位移为2.13 m，底板位移为0.45 m；工作面开挖250 m时，顶板位移为2.62 m，底板位移为0.63 m。可知，表明工作面回采后，顶板出现垮落带，导致变形较大。

当工作面推进不同距离时，沿煤层顶底板提取煤层位移曲线如图5所示。随着采煤工作面的推进，工作面顶板受开采卸荷作用的影响，开采后顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形，引起顶板的离层、冒落，

图4. 工作面回采过程中顶底板位移变化云图

图5. 顶底板位移变化规律

顶板的破坏机理主要为拉破坏。开采后底板出现垂直向上的卸荷膨胀变形，由于煤层直接顶为泥岩，随采随冒，导致煤层顶板变形大于底板。

工作面回采过程中，煤层后方采空区顶板位移变化规律，如图6所示。

自开切眼开始，随着采煤工作面的推进，采空区顶板位移演化规律近似于椭圆形随轴比变化。工作面倾斜方向为椭圆形短轴、走向方向为椭圆形长轴，随着工作面不断推进，即长短轴比不断增加，采空区顶板下沉面积不断加大。当轴比接近1时，顶板下沉影响区域近似为“O”形。随着工作面继续推进，即长短轴比继续增加，采空区顶板下沉面积沿长轴方向不断加大。

4.2. 支承应力分析

工作面回采过程中X = 100 m平面的采动应力云图如图7所示。可知，工作面回采后，垂直应力在

图6. 煤层顶板位移“O”型圈破断形态

图7. 工作面回采过程中采动应力变化云图

工作前后出现应力集中现象，工作面顶底板为垂直应力卸压区，且工作面推进距离越长，卸压区范围越大，且工作面前后应力集中区范围越大，近似为椭圆形分布。随着工作面的继续推进，工作面前后垂直应力逐渐增大，工作面开挖5 m时，垂直应力为14.34 MPa；工作面开挖50 m时，垂直应力为21.68 MPa；工作面开挖100 m时，垂直应力为22.94 MPa；工作面开挖150 m时，垂直应力为223.06 MPa；工作面开挖200 m时，垂直应力为23.86 MPa；工作面开挖250 m时，垂直应力为24.48 MPa。可知，垂直应力在工作面前后方均出现应力集中现象，且随着工作面的向前推进，应力集中位置前移。

沿煤层顶底板提取煤层采动应力变化规律如图8所示。可知，随着采煤工作面的不断推进，导致工作面周围岩体及上覆岩层应力重分布。工作面前后方支承应力的分布特点：工作面前方支承工作面上方裂隙带和上覆岩层大部分重量，即工作面前方支撑应力远大于后方；由于工作面不断推进，煤壁和采空区不断向前移动，导致工作面前后方支承应力是移动型支承应力，从而使采煤工作面处于卸压区；工作面前方形成的支承应力，最大值发生在工作面中部前方，峰值达到2.5倍，即应力集中系数K为2.5，前方支承应力峰值深入煤体内5~10 m，其影响范围达采煤工作面前方90~100 m，此区域为应力增高区，而煤层工作面前后方未受采动影响区域为原岩应力区。

4.3. 塑性区分析

工作面回采过程中X = 100 m平面的塑性区云图如图9所示，可知，工作面开挖后，采空区周边出现塑性区。工作面回采50 m时，塑性区，面积较小，呈“瘦高”状分析。随着工作面回采长度的增大，塑性区面积逐渐增大，在工作面开挖至400 m时，工作面塑性区面积占据整个模型。此时，对地表建筑物等影响较大。

5. 结论

1) 工作面回采过程中，工作面顶板受开采卸荷作用的影响，顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形，引起顶板的离层、冒落，底板出现垂直向上的卸荷膨胀变形，且煤层顶板变形大于底板；

2) 随着工作面的不断推进，采空区顶板位移演化规律近似于椭圆形随轴比变化，当轴比接近1时，顶板下沉影响区域近似为“O”形；

图8. 采动应力分布规律

图9. 工作面回采过程中塑性区变化云图

3) 煤层回采后，工作面前后方出现应力集中现象，由于工作面不断推进，煤壁和采空区不断向前移动，导致工作面前后方支承应力是移动型支承应力；

4) 煤层回采后，工作面周边出现塑性区，且随着工作面回采距离的增加，塑性区面积逐渐增大。

资助项目

川煤集团资助项目：向斜轴部“三软厚煤层综采防突及顶板控制技术研究”(2017001)。

文章引用

杨玉顺,张东明,孙文德,杨 松,张 祥. 缓倾斜煤层矿压显现规律的研究
Research on Strata-Pressure Behavior in Gentle Inclined Coal Seam[J]. 矿山工程, 2018, 06(02): 53-60. https://doi.org/10.12677/ME.2018.62008

参考文献