大角度俯采覆岩运动规律数值模拟

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１５Ｊｕｌｙ２０２０
现　代　矿　业
ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ
总第６１５期
２０２０年７月第７期
赵　龙（１９７６—），男，生产矿长，高级工程师，０３１４１２山西省霍州市辛置镇。

大角度俯采覆岩运动规律数值模拟
赵　龙
（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿）
摘　要　针对大倾角煤层俯采过程中覆岩运动所引发的支架倾倒、输送机下滑和顶板破碎等安
全事故，以霍州煤电辛置煤矿１
０ ４２８Ｃ工作面为例，运用ＦＬＡＣ３Ｄ
数值模拟软件，分析了顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征。

结果表明：大倾角俯采煤层顶板岩层无论沿工作面走向或倾向方向上，垂直应力等值线和位移等值线均呈现非对称拱形态。

工作面下方支承压力和位移值普遍大于上方，岩层运动范围在中上部扩展较快。

工作面顶板塑性破坏区向顶板发展，工作面下方顶板破坏范围明显增大。

关键词　大倾角煤层　覆岩运动　数值模拟　变形ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４ ６０８２．２０２０．０７．０１４
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬａｗｏｆＯｖｅｒｂｕｒｄｅｎＲｏｃｋ ｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎＬａｒｇｅ ａｎｇｌｅＵｎｄｅｒｈａｎｄＳｔｏｐｉｎｇ
ＺｈａｏＬｏｎｇ
（ＸｉｎｚｈｉＣｏａｌＭｉｎｅ，ＨｕｏｚｈｏｕＣｏａｌＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．）
Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓａｆｅｔｙａｃｃｉｄｅｎｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｏｖｅｒｌａｙｉｎｇｒｏｃｋｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｏｖｅｒｌａｙｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｉｇｈ ｄｉｐｃｏａｌｓｅａｍ，ｓｕｃｈａｓｓｕｐｐｏｒｔｔｏｐｐｌｉｎｇ，ｃｏｎｖｅｙｏｒｓｌｉｄｉｎｇａｎｄｒｏｏｆｃｒｕｓｈｉｎｇ，ｅｔｃ．，ｔａｋｅｔｈｅ
１０ ４２８ＣｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＨｕｏｚｈｏｕｃｏａｌｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｇｒｏｕｐｃｏ．ＬＴＤ．Ｘｉｎｚｈｉｃｏａｌｍｉｎｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ＦＬＡＣ
３Ｄ
ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｏｆｓｔｒａｔａａｌｏｎｇｔｈｅｓｔｒｉｋｅａｎｄｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏｍａｔｔｅｒａｌｏｎｇｔｈｅｓｔｒｉｋｅｏｒｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｏｎｔｏｕｒｏｆｔｈｅｌａｒｇｅ ａｎｇｌｅｕｎｄｅｒｈａｎｄｓｔｏｐｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍａｒｅａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｒｃｈｆｏｒｍ．Ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｖａｌｕｅｕｎｄｅｒｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｒｅｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎａｂｏｖｅｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｅｘｐａｎｄｓｒａｐｉｄｌｙｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｕｐｐｅｒｐａｒｔ．Ｔｈｅｐｌａｓ ｔｉｃｆａｉｌｕｒｅｚｏｎｅｏｆｔｈｅｒｏｏｆｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｄｅｖｅｌｏｐｓｔｏｗａｒｄｔｈｅｒｏｏｆ，ｔｈｅｄａｍａｇｅｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｒｏｏｆｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｓｔｅｅｐｌｙｉｎｃｌｉｎｅｄｃｏａｌｓｅａｍ，Ｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
近年来，快速发展的综采技术，使大部分矿区浅部开采条件较好的煤层储量在较短的时间内枯竭，促使大倾角煤层的开采问题进入了人们的视野并引起高度重视，如兖州矿区、淮南和淮北矿区等，很显然要保持这些矿区高产高效和可持续发展就必须解决大倾角煤层的安全开采问题。

大倾角煤层指埋藏倾角为３５°～５５°的煤层，煤炭资源储量较多，分布范围较广
［１］。

早在２０世纪７０—８０年代，国内外就在大倾角
煤层的机械化开采方面进行了一定的研究，研制了应用于大倾角和急倾斜煤层的各类综采支架及采煤机，但因煤层倾角较大，工作面设备故障较多，工艺较复杂，产量和效率太低，最近几年的研究进展缓慢，甚至
基本停止［２］。

不论是国产的大倾角煤层综采设备还
是从国外引进的大倾角煤层综采成套装备，在理论与技术基础上均存在一定问题，尽管科研与生产单位做了许多针对性的工作，但均没有获得满意的效果。

大
量研究与实践表明［３ １１］，大倾角煤层开采过程中所引
起的支架易倾倒、输送机下滑和顶板破碎等问题，只有通过对覆岩运动规律及支架围岩系统稳定机理的研究，才能为该类煤层开采关键技术的解决奠定理论基础，减少安全生产事故。

在已有研究成果的基础
上，运用Ｆ
ＬＡＣ３Ｄ
数值模拟，分析了大角度煤层顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征，为大角度煤层俯采提供了一定的理论依据。

１　工程概况
辛置煤矿东四左翼采区地表属霍州市辖区，地面
标高７３０～８５５ｍ，采区东西长２１６４ｍ，南北长２４３２ｍ，面积４７６９３０７ｍ２。

主要可采煤层为１０＃和１１＃煤层，根据东四采区实际揭露煤层厚度及钻孔资料，１０＃煤层稳定，结构复杂，平均厚度２．６０ｍ；１１＃煤层稳定，结构简单，煤层厚度１．６５～２．２ｍ，平均１．９７ｍ。

煤层顶底板岩性及特征见表１。

表１　煤层顶底板岩性及特征
类别煤层岩石名称厚度／ｍ主要特征抗压强度／ｋＰａ
顶板
基本顶
直接顶１０＃Ｋ２灰岩７．６～１０．５深灰色，致密，坚硬，厚层状１１０９～１７５５１１＃细砂岩３．２灰黑色，含少量植物化石
１０＃泥岩１．５灰黑色，层理发育，含砂质
１１＃泥岩１．０４黑色，含黄铁矿薄膜，层理发育
底板
直接底
基本底１０＃砂质泥岩１．１黑色，层理发育，含黄铁矿结核５８７
１１＃泥岩灰黑色，含植物化石，局部冲刷４５０～１１３１０＃中细砂岩６灰白色，以石英长石为主，分选性差
１１＃石英砂岩白色—灰白色，硅质胶结２７９
２　大角度俯采覆岩形态数值模拟研究
２．１　数值模型的建立
１０－４２８Ｃ工作面位于东四左翼采区北侧，工作面所采煤层为１０＃，地面标高＋７７６～＋８１８ｍ，埋深＋３５６～＋４２９ｍ，煤层平均厚度２．６ｍ，煤层平均倾角１６°，局部最大角度１９°。

平均俯采角度１６°，局部最大俯采角度达２０°。

为了使数值模拟更加接近现场实际，需要模拟实际初始地应力并建立力学模型。

由于模型尺寸有限，在模型顶部需施加９．５ＭＰａ的覆岩等效载荷来补偿未能模拟的３６０ｍ厚岩层自重力，其余各侧面和模型底部为法向约束边界。

覆岩岩石力学参数见表２。

表２　覆岩岩石力学参数
岩石名称厚度
／ｍ
体积
模量
／ＧＰａ
剪切
模量
／ＧＰａ
黏聚力
／ＧＰａ
内摩
擦角
／（°）
密度
／（ｋｇ／ｍ３）
抗拉
强度
／ＭＰａ
砂质泥岩１０４．２３８．２０．８３２２１２００．５Ｋ２灰岩８５．３３１０．６１．３３５２５６４５．２９煤０．９３．１８７．１０．５３２１５６００．８泥岩２４．２３８．２０．８３２２１２００．５１０煤２．６３．１８７．１０．５３２１５６００．８砂质泥岩０．８４．２３８．２０．８３２２１２００．５中—细砂岩７６．８９９．３１．２３５２６９０１．０５ 根据地质资料建立工作面最不利情况下大角度俯采工作面三维数值模型，采用ＦＬＡＣ３Ｄ中的Ｇｅｎｅｒａｔｅ命令生成三维模型，模型尺寸为长（Ｘ）×宽（Ｙ）×高（Ｚ）＝４８０ｍ×３８４ｍ×２８０ｍ，结构模型采用Ｍｏｈｒ Ｃｏｕｌｏｍｂ本构模型，通过Ｂｒｉｃｋ单元来模拟煤岩层和工作面，数值模型所生成的单元数为６５６６４，节点数为７０７０７，见图１。

图１　大倾角俯采数值模型
２．２　数值模拟过程
数值模型生成以后在进行开挖前需对模型进行初始平衡解算，通过初始平衡解算使模型处于原始应力状态，计算过程中采用Ｓｏｌｖｅ命令进行初始平衡计算，通过监测最大不平衡力变化情况来判断模型所处的应力状态。

当计算步数达到２４５５步时，体系最大不平衡力与典型内力的比率Ｒ小于１０－５，模型达到初始平衡状态，此时最大不平衡力曲线斜率为０，数值模型初始平衡状态垂直应力分布情况见图２。

模型达到初始平衡后开始进行工作面的正常开采模拟，模拟开采推进沿模型的长度方向（Ｘ轴负方向）进行，推进完成后分别获取相应的垂直应力云图、位移
云图和破坏特征图。

图２　数值模型初始平衡垂直应力分布（单位：Ｐａ）
２．３　上覆岩层结构数值模拟分析
数值模拟结果主要是通过沿工作面走向和倾向
作剖面来展示工作面顶板岩层沿走向和倾向所形成
的采动特征，顶板岩层采动特征具体表现为随工作面 赵　龙：大角度俯采覆岩运动规律数值模拟 ２０２０年７月第７期
推进顶板岩层应力场特征、位移特征及顶板塑性区特征。

通过顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征分析，获得工作面顶板岩层变形、破坏及形成结构特征。

２．３．１　沿工作面走向顶板采动特征
沿工作面走向顶板采用以下方式分析，当工作面推进３００ｍ时，分别沿Ｙ＝１００，２００，３００ｍ作走向剖面图来展示工作面上部、中部和下部顶板沿走向采动特征。

（１）应力特征。

推进３００ｍ后工作面顶板沿走
向应力分布情况见图３
（ａ）～（ｃ），通过分析工作面走向垂直应力云图，可以看出顶板应力分布范围在中上部较大，顶板垂直应力等值线呈非对称拱式形态，在采场中部拱轮廓线非对称性更加明显，拱顶位于采场中上部。

工作面下方最大支承压力值和支承压力分布范围均大于上方，工作面下方支承压力峰值远离采空区，
且支承压力范围向围岩深部转移明显。

图３　工作面走向垂直应力云图（单位：Ｐａ）
（２）位移特征。

推进３００ｍ后工作面走向位移情况见图４（ａ）～（ｃ），通过分析工作面走向位移云图，可以看出顶板位移等值线呈非对称拱式形态，在
采场中上部尤为明显，拱顶一般位于采场中上部。

工作面下部位移值大于中上部位移值，岩层运动范围在
中上部扩展较快。

图４　工作面走向位移云图（单位：ｃｍ）
（３）塑性区特征。

推进３００ｍ后工作面走向破坏情况见图５（ａ）～（ｃ），通过分析工作面走向破坏特征图，可以看出工作面顶板塑性破坏区向顶板上覆岩层发展不对称，工作面下部顶板破坏以剪切拉伸破坏为主，采场中部受拉范围增大明显。

２．３．２　沿工作面倾向顶板采动特征
沿倾向顶板采用以下方式分析，当工作面推进３００ｍ时，分别沿Ｘ＝１００，２５０，４００ｍ作倾向剖面图来展示工作面顶板沿倾向的采动特征。

（１）应力特征。

推进３００ｍ后，工作面顶板沿倾向应力分布情况见图６（ａ）～（ｃ）。

通过分析工作面倾向垂直应力云图，可以看出顶板应力范围在中上部较大，顶板垂直应力等值线呈非对称拱式形态，在采场中部拱轮廓线非对称性加强，拱顶位于工作面中上部，工作面下方最大支撑压力值普遍大于上方，并且支承压力分布范围也大于上方。

工作面下方支承压力峰值远离采空区，且支承压力范围向围岩深部转移
明显。

图５　工作面走向塑性区分布云图
总第６１５期现代矿业２０２０年７月第７期
图６　工作面倾向垂直应力云图（单位：Ｐａ）
（２）位移特征。

推进１００，２５０，４００ｍ后，工作面倾向位移情况见图７
（ａ）～（ｃ），通过分析工作面倾向位移云图，可以看出工作面顶板位移等值线呈非对称拱式形态，在采场中上部尤为明显。

拱顶一般位于工
作面中上部，工作面下部位移值大于中上部位移值，顶板位移值在中上部达到最大，岩层运动范围在中上
部扩展较快。

图７　工作面倾向位移云图（单位：ｃｍ）
（３）塑性区特征。

推进１００，２５０，４００ｍ后工作面倾向破坏情况见图８（ａ）～（ｃ）。

通过分析工作面倾向破坏特征图，可以看出工作面顶板塑性破坏区向顶板上覆岩层发展，工作面下部顶板破坏范围增大更
明显。

图８　工作面倾向塑性区云图
２．３．３　工作面顶板结构特征
通过对大角度俯采工作面顶板采动特征的研究，发现大角度俯采工作面在走向和倾向具有一致的采动特征，主要表现为顶板应力及位移等值线均呈现出非对称性特征。

产生这种一致性的原因在于工作面沿煤层倾向布置，同时采用俯采工艺，故回采后上覆岩层沿走向和倾向形成一致的结构。

工作面沿倾向布置，受煤层倾角的影响俯采，导致工作面顶板岩层除了有垂直于工作面顶板岩层的作用外，还有沿工作面顶板岩层走向和倾向方向的作用。

当煤层倾角增大后，重力沿工作面顶板岩层走向和倾向的作用将显著增大，顶板岩层的变形和位移无论沿工作面倾向还是走向方向上均表现出非对称拱式形态特征。

３　结　论
（１）大角度俯采工作面在走向和倾向具有一致的采动特征，主要表现为顶板应力及位移等值线均呈现出非对称拱式形态特征。

工作面下方最大支承压力值与支承压力分布范围均在上方，工作面下方支承压力峰值远离采空区，且支承压力范围向围岩深部转移明显。

（２）工作面下部位移值大于中上部位移值，顶板位移值在中上部达到最大，岩层运动范围在中上部扩展较快。

工作面顶板塑性破坏区向顶板上覆岩层发
展不对称，工作面下部顶板破坏以剪切拉伸破坏为主，采场中部受拉范围明显增大。

（下转第５
９页） 赵　龙：
大角度俯采覆岩运动规律数值模拟 ２０２０年７月第７期
图５　观测站混凝土喷层应力
■
—巷道顶板；●
—巷道帮部
图６　巷道围岩变形观测曲线
■
—巷道顶板；●—巷道帮部
由图６可知，观测时间０～２６ｄ过程中，随着观测时间的推移，巷道顶板下沉变形量和两帮移近变形量一直呈逐渐增加的趋势；观测２６ｄ之后，巷道顶板下沉量和两帮移近量基本趋向于稳定；巷道顶板位移量最大为５６ｍｍ，两帮最大移近量为７７ｍｍ；巷道最大顶板变形和最大两帮变形均在允许的范围内，能够满足巷道的正常使用。

说明通过湿喷钢纤维硅粉混凝土支护回风斜井能够有效控制巷道围岩的稳定。

５　结　论
（１）钢纤维和硅粉共同掺入混凝土，能够提高混凝土的强度和韧性，是巷道湿喷混凝土支护的理想材料。

（２）混凝土中，水泥掺量为３１ ５％，砂率为６５％，硅粉掺量替代水泥的１０％，即为混凝土的３ ５％，波浪型钢纤维掺量为１ ５％，减水剂掺率为０ ４％。

（３）湿喷钢纤维混凝土支护回风斜井能够有效控制巷道围岩的稳定，喷层应力不大且很快趋于稳定，巷道最大顶底板变形量和最大两帮变形量均在允许的范围内。

参　考　文　献
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能电站工程建设文集，２０１４：４３０ ４３４．
［４］　高丹盈，赵亮平，冯　虎，等．钢纤维混凝土弯曲韧性及其评价方法［Ｊ］．建筑材料学报，２０１４，１７（５）：７８３ ７８９．
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［８］　刘　真．硅粉和偏高岭土对混凝土抗压强度影响的试验研究［Ｊ］．商品混凝土，２０１８（９）：２８ ２９．
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（收稿日期２０２０ ０３ １８
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
）
（上接第５５页）
参　考　文　献
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［１０］　尹光志，鲜学福，代高飞，等．大倾角煤层开采岩移基本规律研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００１，２３（４）：４５０ ４５３．
［１１］　黄建功．大倾角煤层采场顶板运动结构分析［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００２，３１（５）：４１１ ４１４．
（收稿日期２０２０ ０３ １８）
牛龙暄　孟庆新等：巷道钢纤维硅粉混凝土喷浆支护试验与应用 ２０２０年７月第７期。