大倾角综放采场围岩应力演化规律研究

赵鲲鹏，张华磊，涂　敏

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；

大倾角综放采场围岩应力演化规律研究

赵鲲鹏1,2,3，张华磊1,2,3，涂敏1,2

(1.安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001；

3.山东科技大学 山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

[摘要]针对大倾角厚煤层不同煤层倾角条件下采场不同区域的围岩应力变化特征及支承压力变化规律，以庞庞塔煤矿5-103工作面为工程背景，通过采用数值计算软件FLAC3D建立煤层在不同倾角下的模型，分析了在不同倾角下采场围岩的应力状态，讨论了不同煤层倾角条件下采场不同区域的围岩应力变化特征及支承压力的变化规律，并进行了现场测试验证，为解决大倾角厚煤层综放开采中存在的问题提供了一定的参考价值。

[关键词]大倾角；综放采场；围岩应力；支承压力

我国倾斜煤层储量大,分布范围广,并已形成相当的开采规模。大倾角采场支承压力分布的基本规律与近水平煤层相同,但倾斜条件下岩层受力情况十分复杂,支承压力分布又有其相应的特点[1]。从力学上讲，煤层倾角的存在，岩层的受力情况将会变得复杂，同时岩层在切向剪切力作用下的响应将会比水平情况剧烈，影响到围岩的结构与运动[2-3]。目前，实验室相似模拟试验、三维有限元数值计算方法及其他数值分析方法已被运用到大倾角煤层采场围岩应力分布的模拟和预测中[4-8]。本文旨在分析不同煤层倾角条件下采场不同区域的围岩应力变化特征及支承压力的变化规律，这对于指导大倾角厚煤层综放工作面的安全高效开采具有一定的意义。

1工程地质条件

庞庞塔矿5-103工作面所采煤层为5号煤，地面标高+1.15～+1.3km，工作面标高为+0.67～+0.78km。5-103工作面长度为164.8m，走向长度1.7km，煤层倾角17～25°，平均倾角21°。该工作面煤层较稳定，煤层平均厚度6.4m，工作面煤层顶底板特征见表1。

2采场围岩应力演化规律研究

2.1数值计算模型的建立

通过采用数值计算软件FLAC3D建立出煤层倾角15°，22°，35°及45°共4个模型，分析在不同煤层倾角下采场围岩的应力状态。模型中各煤岩层

表1　煤层顶底板特征

参数以庞庞塔5-103工作面围岩为基准，如表2所示。煤层平均埋深463m。

表2　各岩层物理力学参数

2.2工作面推进距离不变时采场围岩垂直应力随煤层倾角的演化规律

工作面推进60m，不同煤层倾角时采场围岩垂直应力分布状态如图1所示。

由图1可知，当工作面推进至60m时，倾角15°的工作面左侧煤壁5.2m处，最大垂直应力达到25.51MPa ；工作面右侧煤壁5.5m处，最大垂直应力达到22.67MPa。倾角22°的工作面左侧煤壁5.4m处，最大垂直应力达到26.61MPa；工作面右侧煤壁7.5m处，最大垂直应力达到21.36MPa。倾角为35°的工作面左侧煤壁5.2m处，最大垂直应力达到26.70MPa ；工作面右侧煤壁12.0m处，最大垂直应力达到19.20MPa；倾角为45°的工作面左侧煤壁5.2m处，最大垂直应力达到25.15MPa ；工作面右侧煤壁13.0m处，最大垂直应力达到17.59MPa。

图1　不同煤层倾角时采场围岩垂直应力分布

为了分析5-103工作面开采时的支承压力在同一推进距离随煤层倾角的变化，将上述数据生成图2所示曲线。

图2　60m推进步距下倾角对采场围岩垂直应力影响

对比分析可知，倾角为15°时，开挖引起应力变化稳定后下端的应力峰值较上端大8%；倾角为22°时，开挖引起应力变化稳定后下端的应力峰值较上端大12.7%；倾角为35°时，开挖引起应力变化稳定后下端的应力峰值较上端大23.6%；倾角为45°时，开挖引起应力变化稳定后下端的应力峰值较上端大29.4%，可见随着倾角的增大，上端和下端的应力峰值差异是逐渐增加的。

不同倾角下，工作面上端和下端的卸荷范围也不同，上端顶板的卸荷区较大，与底板呈现的规律相反，而且差异程度随着倾角增大也越明显，因此工作面上下两端的顶底板移近状况也将不同，表现为上端顶板下沉会更明显，下端底板上升会更显著。随着倾角的增大，工作面上下两端的应力变化剧烈程度逐渐降低；且工作面上端的应力变化没有下端明显。但上端的应力集中范围大于下端。因此，在相同的推进步距下，随着倾角的减小，对支护适应应力变化的要求也随之增大。

2.3煤层倾角不变时采场围岩垂直应力随工作面推进演化规律

煤层倾角为22°时随工作面推进围岩垂直应力分布状态如图3所示。

由图3可知，当工作面倾角为22°时，从工作面倾向和走向上应力的变化可以看出：当工作面推进12m时，工作面左侧煤壁2.7m处，最大垂直应力达到19.11MPa；工作面右侧煤壁4.8m处，最大垂直应力达到14.7MPa；当工作面推进24m时，工作面左侧煤壁5.2m处，最大垂直应力达到21.82MPa；工作面右侧煤壁4.8m处，最大垂直应力达到16.58MPa；当工作面推进36m时，工作面左侧煤壁5.2m处，最大垂直应力达到22.44MPa；工作面右侧煤壁7.5m处，最大垂直应力达到18.72MPa；当工作面推进48m时，工作面左侧煤壁5.3m处，最大垂直应力达到24.75MPa；工作面右侧煤壁7.5m处，最大垂直应力达到20.21MPa；当工作面推进60m时，工作面左侧煤壁5.4m处，最大垂直应力达到26.61MPa；工作面右侧煤壁7.5m处，最大垂直应力达到21.36MPa；采场进一步向前推进的过程中，应力集中的相对位置与集中程度变化不大。

为了分析5-103工作面开采时的支承压力在22°煤层倾角下随工作面推进的变化，将上述数据生成图4所示曲线。

图3　煤层倾角22°时围岩垂直应力随采场推进分布

图4　22°煤层倾角时围岩垂直应力随采场推进变化曲线

通过对比分析可知，对于同一倾角下的工作面上下端，应力随着步距的推进而逐渐增大；工作面下端一侧煤壁的应力集中范围小于上端一侧的应力集中范围，但下端的应力峰值随着工作面倾角的变化而较上端有不同程度差异；在采动影响下，应力集中区主要出现在工作面上、下两侧煤壁及前方煤壁区域，且呈现出明显的不对称性，工作面下端的应力集中较上端大；工作面下端的应力集中位置距煤壁较上端近，因此下端的煤壁受应力集中的影响会更明显。

沿着走向方向上的应力随着工作面的推进不断变化，顶底板小于原岩应力的范围不断扩大；在倾角较小时，在推进的前两步应力变化较为明显，在倾角为22°时，推进12m和推进24m应力差值最大为23.1%；推进48m以后应力变化趋于稳定，在倾角为22°时，推进48m以后的应力差值稳定在3.8%左右。

3现场测试

为了监测5-103工作面开采时的支承压力影响区域，在工作面回风巷内布置巷道围岩变形测点，监测数据生成图5所示的曲线图。

图5　回风巷两帮及顶底板位移变化规律

由图5可知，巷道表面变形速率随着工作面推进逐渐增大，导致巷道累计移近量增大；当工作面距离测点80m时，其两帮及顶底板移近速率分别仅为2mm/d，3mm/d，巷道变形量较小；巷道移近速率、曲线斜率、两帮和顶底板移近速度伴随着工作面的开采逐渐增加；当工作面距离测点20m时，两帮及顶底板移近速率较大，分别为75mm /d，98mm/d；当工作面推进距离测点13m时，巷道两帮移近速率增大到100mm/d，顶底板移近速率增大到125mm/d；当工作面距离测点5m时移近速度进一步加快，两帮移近速率达120mm/d，顶底板移近速率达160mm/d。在围岩性质不变，支护条件满足的情况下，巷道围岩的变形量在一定程度上反映了巷道围岩的应力情况，应力越大，巷道围岩的变形量也随之增大[9-10]。

综上所述，采动在工作面前方12m范围内为采动影响剧烈区，巷道顶底和两帮移近速率增大较快，最大移近速度约为200mm/d；工作面前方19m范围内为采动影响明显区，19～54m范围采动影响逐渐减弱，超过54m范围几乎不再受采动影响；其结果也与数值计算结果接近。

4结论

(1)在采动影响下，应力集中区主要出现在工作面上、下两侧煤壁及前方煤壁区域，且呈现出明显的不对称性，工作面下端的应力集中较上端大；工作面下端的应力集中位置距煤壁较上端近，因此下端的煤壁受应力集中的影响会更明显。

(2)不同倾角下，工作面上端和下端的卸荷范围也不同，上端顶板的卸荷区较大而底板卸荷区较小，顶板与底板呈现的规律也相反，而且差异程度随着倾角增大而增大，表现为上端顶板下沉会更明显，下端底板上升会更显著。

(3)工作面上下两端的应力变化与倾角大小呈正相关，且工作面下端的应力变化大于上端，但应力集中范围较上端大。因此，在相同的推进步距下，随着倾角的减小，对支护适应应力变化的要求也随之增大。

[参考文献]

[1]蒋金泉，顾兵.大倾角采场围岩应力分布特征[J].矿山压力与顶板管理，1993，3(4)：110-114.

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[责任编辑：潘俊锋]

Evolution Law of Surrounding Rock Stress of Fully Mechanized Top-Coal Caving Stope with Large Dip Angle

ZHAO Kun-peng1，2，3，ZHANG Hua-lei1，2，3，TU Min1，2

(1.Province & Ministry Co-constructed Key Laboratory of Coal Mine Safety and Efficient，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China；2.Energy & Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China；3.Shandong Province State Key Laboratory of Mine Disaster Prevention & Controlling，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract：To surrounding rock stress changed characters and abutment pressure changed law of different zone in stope with different coal seam dip angle in large dip angle coal seam，the paper taking 5-103 working face of Pangpangta coal mine as background，the detailed FLAC3Dnumerical model of different coal seam dip angle was built，then stress state of surrounding rock in stope with different dip angle was analyzed，surrounding rock stress changed law and abutment pressured changed law in different zone with different coal seam dip angle were discussed，then filed practical was carried out，the results referring for the problems that existed during top coal caving process in giant thick coal seam with large dip angle.

Key words：large dip angle；top coal caving stope；surrounding rock stress；abutment pressure

[收稿日期]2015-11-03[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.003

[基金项目]国家自然科学基金项目(51574007)；安徽省博士后科研经费资助项目(DG155)；山东省矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地(山东科技大学)开放基金资助(MDPC2012KF06)；安徽理工大学青年教师科学研究基金(QN201330)

[作者简介]赵鲲鹏(1989-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事矿山岩体力学与控制方面的研究工作。

[中图分类号]TD323

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0011-04

[引用格式]赵鲲鹏，张华磊，涂敏.大倾角综放采场围岩应力演化规律研究[J].煤矿开采，2016，21(3)：11-14，70.