王文俊

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

煤炭在我国未来经济发展中仍占据着重要的地位，已有的煤炭资源储量统计数据表明，大倾角、急倾斜厚煤层约占总储量的14.5%。综放开采技术在国内得到广泛的应用，但是对于地质条件比较复杂的煤层还存在很多关键技术问题。由于工作面倾角较大，煤层厚度变化较大，工作面主要存在支架和刮板运输机容易出现上窜或下滑、支架歪倒、采煤机滑倒等问题。一旦控制不好，就会减慢工作面推进速度，增大工作量，增加危险因素，同时煤炭资源回收率低等问题。可见，合理有效地解决大倾角松软厚煤层综放开采的一系列关键技术问题，是保证大倾角松软厚煤层综放开采实现安全高效回采的前提和保证[1-3]。因此，需针对大倾角松软厚煤层研究其工作面开采过程中覆岩移动规律，为工作面矿压管控提供依据。

1 工程概况

庞庞塔煤矿位于山西省临县，属于霍州煤电集团。9号煤层上距5号煤层平均50.63 m。煤层厚度为10.8～12.4 m，平均11.8 m，倾角34～48°，平均35°，普氏系数f为1，属于大倾角松软特厚煤层，煤层结构复杂，一般含夹矸1～4层，夹矸厚度0.10～0.38 m，夹矸多为炭质泥岩，煤层顶底板特征如表1所示。所采工作面9-101工作面南部为井田边界，北部为西区暗斜井系统，东部为9-700工作面，西部为9-103工作面，上部为5号煤5上-108、5-101采空区。9-101工作面采用放顶煤开采方法，根据工作面的具体地质条件及设备的配套使用效果，确定工作面采高为3.2 m，放煤8.6 m、一采一放，采放比为1∶2.69。

表1 煤层顶底板特征

2 大倾角综放开采覆岩运移规律理论分析

大倾角松软煤层在放顶煤开采过程中，受到煤层倾角、煤层自重、煤岩相互作用力等多种因素影响，工作面煤层采出后，上方煤岩体的变形和破坏与近水平煤层有着显著的不同。水平煤层开采时，上覆岩层受到自重和竖向载荷的影响，通过组合梁板结构将载荷传递到两侧区段煤柱上，上覆岩层平稳下沉，当顶板受到应力大于顶板岩石极限强度时，即发生断裂垮落。

而大倾角煤层开采时，顶板岩层在自重作用下发生弯曲变形，由于受到岩层倾角的分力作用，顶板岩层垮落后朝着采空区下山方向堆积，因此覆岩破坏极易发生在采空区上山方向处。工作面采出后，由于顶板垮落堆积于下部工作面采空区，因此垮落矸石对顶板也起到支撑作用，整个覆岩结构由于受到煤柱和垮落岩石的支撑，形成了“厂”形弯曲结构移动拱，如图1所示。

随着工作面的不断推进，倾斜岩层会不断达到极限跨距，直至断裂垮落，向采空区下部进行垮落堆积，这部分垮落岩层可称为“下位岩层”，其上方岩层由于受到支撑作用，会平稳弯曲下沉，这部分岩层可称为“上位岩层”，保证上位岩层中的砌体拱稳定可以控制上方岩层变形破坏。

3 覆岩移动规律数值模拟

利用FLAC3D有限元分析软件，以庞庞塔矿9号煤层工作面为工程背景建立数值分析模型，根据换算实际工作面埋深条件施加模型应力及位移边界，产生初始地应力，模型如图2所示。待上下巷道和切眼贯通后，对模型工作面进行分步开挖，模拟工作面推进过程中顶板岩层位移及应力变化规律。位移水平测线布置于模型顶板岩层至煤层距离分别为2 m、12 m、32 m、50 m中，每条测线布置10个观测点，垂直测线间隔20 m，共布置10条。应力水平测线共布置3条，每条布置测点10个，分别布置于煤层中、直接顶泥质灰岩中、老顶砂质泥岩中，监测工作面推进过程中水平位移、竖直位移及垂直应力变化规律。

图2 数值分析模型

1) 位移变化规律。在工作面开采初期，推进到20 m时测线位移变化如图3所示，顶板岩层垂直位移较小，主要发生水平位移，上覆岩层的垂直位移和水平位移都表现为从下而上逐渐减小的趋势，未采煤层上方位移明显小于采空区上方的位移。

工作面推进到60 m时，位移变化规律如图4所示。由图可知，相较于推进20 m而言，两种位移量都发生了增长，而垂直位移增长明显快于水平位移，距离采空区越近，位移量越大，下位岩层相较于上位岩层位移较大。

图3 工作面推进20 m时测线位移变化规律

图4 工作面推进60 m时测线位移变化规律

工作面推进到130 m时，位移变化规律如图5所示。由图可知，随着工作面的推进，垂直位移继续增大，下位岩层垂直位移明显大于上位岩层；由于顶煤的放出，采空区空间不断增大，上覆岩层向采空区倾斜，导致水平位移出现负值。

2) 应力变化规律。经过处理分析沿工作面开采方向距开切眼不同距离处应力分布情况，选取每条测线中的测点3、6、9，分别位于距离工作面开切眼50 m、100 m、150 m处，进行绘图得到图6。

图5 工作面推进130 m时测线位移变化规律

图6 煤层及顶板岩层支承压力分布

由图6(a)可知，受采动影响在工作面前方煤体中形成超前支承压力。工作面前方5 m范围内支承压力小于原岩应力，称为减压区；工作面前方5～40 m范围内支承压力大于原岩应力，称为增压区，工作面前方40 m以外支承压力趋近于原岩应力，称为稳压区。增压区的应力峰值位于工作面10 m处，应力集中系数为1.8。

由图6(b)可知，工作面前方10 m范围内为减压区；工作面前方5～40 m范围内为增压区，工作面前方42 m以外为稳压区。增压区的应力峰值位于工作面12 m处，应力集中系数为1.5。

由图6(c)可知，工作面前方15 m范围内为减压区；工作面前方15～46 m范围内为增压区，工作面前方46 m以外为稳压区。增压区的应力峰值位于工作面15 m处，应力集中系数为1.4。

综上所述，煤体支承压力分布范围在工作面前方40 m。从图6中可以看出，煤层应力峰值达到21 MPa，直接顶应力峰值为20 MPa，老顶应力峰值为18 MPa。可以得到支承压力从煤层到老顶表现出由大到小的趋势，分布范围也逐渐扩大，支承压力峰值点也逐渐远离煤壁，应力集中系数也逐渐减小。

4 结 语

针对大倾角松软煤层开采后覆岩移动规律，采用理论分析和数值模拟的方式研究了工作面煤层采出后顶板活动规律，位移及应力分布规律，得到如下结论：

1) 大倾角煤层采出后，覆岩破坏范围主要为采空区偏上山方向，直接顶被拉断，采空区上方形成梁结构，由于下部垮落矸石充填对顶板起到支撑作用，整个采场覆岩形成“厂”形弯曲结构移动拱。

2) 工作面推进到20 m时，顶板岩层垂直位移较小，主要发生水平位移；推进到60 m时，垂直位移增长明显快于水平位移；推进到130 m时，由于顶煤的放出，采空区空间不断增大，上覆岩层向采空区倾斜，导致水平位移出现负值。

3) 煤层的超前支承压力峰值点在距离煤壁约10 m处，超前支承压力分布范围约40 m。