大倾角煤层工作面矿压显现的数值模拟分析

煤炭工程　２０１０年第５期　

大倾角煤层工作面矿压显现的数值模拟分析　

吴健斌　

（华北科技学院，北京１０１６０１）　

摘要：目前，大倾角煤层回采的矿压理论方面仍有一定的不足，文中以实际工程地质条件　

为背景，对大倾角煤层进行数值模拟，通过模拟回采期间巷道围岩的变形破坏规律以及工作面的　

矿压显现规律，得出大倾角条件下的一般矿压显现规律，为大倾角煤层回采提供理论支持。　

关键词：大倾角煤层；矿压显现；数值模拟　

中图分类号：ＴＤ３２５　．１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）０５－００８０－０３　

大倾角煤层一般是指倾角为３５。一５５。的煤层，我国目　

前大倾角煤层的开采已取得了很大的进步，矿山压力的研　

究也有一定的进展，但在理论及研究方法中还有很多的问　

题需进一步解决。本文以４５。的大倾角煤层工作面为基础进　行矿压显现规律的研究，包括回采期间的巷道围岩的变形　

破坏规律、工作面回采期间的来压步距、支承压力分布规　

律以及沿煤层倾向的应力分布、围岩移动与破坏规律等。　

１数值模型的建立　

１．１　大倾角工作面概况　

某矿３１０６综采工作面长１００ｍ，开采的煤层为５　煤，　平均煤层厚度为２．７ｍ，煤层平均倾角４５。，煤层赋存稳定。　

煤层上方存在灰黑色的粉砂岩伪顶，发育不稳定，硬度不　大，厚度０～０．５ｍ；直接顶为灰色的泥质粉砂岩，厚度　１．７ｍ；老顶为灰白色的中砂岩，中粒结构，中厚层状，厚　

度６．２ｍ。　工作面两巷均沿煤层走向布置，采用锚杆＋锚索联合　支护方式，以锚网锚索支护为主，顶板破碎段采用锚网与　

木棚联合支护。运输巷、运料巷以及切眼在顶板完整、较　完整的情况下采用全锚固形式支护，断面形状为直梯形。　

１．２数值模型　

工作面长度为ｌＯＯｍ，考虑边界效应，设计的三维计算　模型长、宽、高分别为３７３ｍ、３８１ｍ和４８８ｍ，共划分　

９７３８４个六面体单元，生成网格节点１０３９６８个。模型的侧　

面限制水平移动，模型的底面限制水平移动和垂直移动，　

模型的上部施加上覆岩层的自重应力。　

２计算结果分析　

２．１　区段巷道在回采期间的破坏情况　

由于该巷道截面在工作面煤壁附近，两巷间的煤体在　

８０　超前移动支承压力作用下和采煤机回采时的扰动下发生了　

剪破坏，即该巷道截面是在超前支承压力影响塑性区内，　

使该处上巷的下侧和下巷的上侧的应力状态重新分布，应　力被释放。巷道两帮煤体中的破坏范围逐渐向深部发展，　

巷道两帮发生拉破坏区域增大，另外下巷下帮内的老顶下　

分层在较大范围内发生了剪破坏，而上巷还是只有直接顶　

发生破坏，下巷的破坏范围较上巷要大，如图１所示。　

图１　区段平巷围岩塑性破坏图　

两巷道内侧几乎没有应力集中，在两巷的外侧有垂直　

应力集中，上巷的上侧的最大垂直应力近似为原岩应力，　

下巷下侧的最大垂直应力集中系数为１．５３；水平应力只有　在上巷的上帮与顶板夹角处的上面和下巷的下面有水平应　

力集中，上巷的最大水平应力集中系数为９．６，下巷的最大　

水平应力集中系数为１２．４，如图２和３所示。由此可以看　出，大倾角条件下，水平应力集中系数较大。　

２．２工作面矿压显现规律　

随着工作面的推进，采场的围岩应力状态不断变化，　

围岩变形量不断加大，采场围岩的破坏范围也逐渐增大。　

从图４、图５中可以看出，当工作面向前推进６ｍ时，工作　

收稿日期：２０１０—０３—１５　作者简介：吴健斌（１９７３一），男，甘肃天水人，现任华北科技学院教务处实践教学科科长，主要从事采矿工程方面的　

教学与研究工作。

　２０１０年第５期　煤炭　工程　

图２区段平巷围岩垂直应力图　

图３区段平巷围岩水平应力图　

面后方的直接顶发生了３ｍ宽的拉剪破坏区，在沿工作面倾　

斜方向的整个范围内发生了拉剪破坏，老顶的中、下层发　

生了剪破坏。认为：顶板发生剪切破坏并不意味着顶板的　

垮落，而拉伸破坏则会使顶板岩层中产生裂隙，发生垮落。　３ｍ长的直接顶拉破坏的出现，说明随着工作面的推进直接　

顶不断的垮落，老顶也发生破坏。　

图４工作面推进６ｍ时沿走向单元塑性破坏图　

随着工作面的不断推进，直接顶的随采随冒，老顶的　

悬空面积逐渐增加，老顶的变形和破坏程度逐渐加剧，使　

作用在两旁煤壁即上覆岩层的支撑点的破坏范围逐渐增大。　图５工作面推进ａｍ时沿倾向单元塑性破坏图　

得出工作面煤壁破坏区域由煤壁前方６ｍ扩大到煤壁前方的　

１２ｍ，在煤壁前方６—１２ｍ这个范围内只有煤层底部发生剪　

破坏，从以上现象可以看出，工作面前方煤壁的破坏从底　

部发生，然后在煤层顶部发生破坏，最后发展到整个煤层，　

整个煤层发生剪破坏。　

从图６、图７可以看出，到工作面推进约３０ｍ时，工作　

面后方老顶的中部、下部分层沿工作面推进方向出现了一　

个１５ｍ的拉破坏区，并且沿工作面倾斜方向大部分老顶的　

中部、下部分层发生拉破坏，这就意味着老顶将要发生垮　

落，所以可以得出老顶的初次来压在３０ｍ左右。　

图６工作面推进３０ｍ时沿走向单元塑性破坏图　

图７工作面推进３０ｍ时沿走向最大主应力图　

在工作面推进４２ｍ时在工作面后方的老顶中部、下部　

８１　煤炭工程　２０１０年第５期　

应用ｏ【卡法和微重力法探测岩溶陷落柱　

卢　放　一，聂明龙　

（１．中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京１０００８３；　２．辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新１２３０００）　

摘要：在华北煤田广泛发育的岩溶陷落柱，会引发地表沉陷等严重的地质灾害，影响生产　

并危害人身安全。根据陷落柱和围岩间的物性差异，结合地质资料，采用了仅卡法和微重力法相　

结合的综合地球物理勘探方法来探测陷落柱的位置。结果表明应用　卡法和微重力法确定陷落柱　

位置具有明显的地质效果。　

关键词：岩溶陷落柱；Ｏｔ卡法；微重力法；综合地球物理勘探　

中图分类号：Ｐ６３１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）０５－００８２－０３　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ仅一ｃａｒｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒａｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅ　

ＬＵ　Ｆａｎｇ　一，ＮＩＥ　Ｍｉｎｇ—ｌｏｎｇ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００，Ｃｈｉｎａ）　

ＡｂｓｔＩ　ｃｔ：Ｔｈｅ　ｋａｒｓｔ　ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ｃｏａｌｆｉｅｌｄ　ｗｏｕｌｄ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ａｎｄ　

ｏｔｈｅｒ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｗｏｕｌｄ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ　ｓａｆｅｔｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｈ）　ｓｉｅａｌ　

ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ａｎｄ　ｉｎ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　

ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　—ｃａｒｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒａｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　Ｏ／．一ｃａｒｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒａｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　

ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅ　ｃｏｕｌｄ　ｈａｖｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａＩ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｋ　ｈｏｌｅ；　—ｃａｒｄ　ｍｅｔｈｏｄ；ｍｉｃｒｏ—ｇｒａｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　

层位出现了一个长１２ｍ的连续拉破坏区域，　

期来压，周期来压步距为１２ｍ。　老顶出现了周　力的峰值出现在离煤壁７ｍ左右处，应力集中系数为１．３５。　

图８工作面推进４２ｍ时沿走向单元塑性破坏图　

从图４～８中可以看出，工作面回采引起的超前支承压　

８２　３结论　

１）由于煤层倾角大，工作面的区段巷道形状为直梯　形，上巷的上帮上部发生剪破坏，上帮其它部分拉剪破坏，　

巷道内直接顶下分层中下部发生拉剪破坏，直接顶下分层　

上部发生剪破坏，直接顶上分层发生剪破坏，下帮的中上　

部发生拉剪破坏，往围岩深部都发生剪破坏。　

２）由于煤层倾角大，垂直应力在沿煤层倾向在巷道的　上下帮两侧分别出现应力集中，水平应力集中出现在巷道底　

部和顶板与上帮的夹角处的上部，最大主应力集中几乎分布　

在巷道的左上角与右底角的连线上，巷道围岩的水平应力、　

最大主应力集中方位发生偏转，而且由于回采的影响，垂直　

应力、最大主应力的峰值变大，水平应力变化不大。　

（责任编辑李泽荃）　

收稿日期：２００９一Ｏ８—２３　

作者简介：卢放（１９７７～），男，湖北随州人，讲师，２００５年硕士毕业于中国地质大学（北京）固体地球物理学专业，　

博士在读，主要从事煤田地球物理勘探教学与科研工作。