千秋礦綜放面巨厚懸空礫巖層采動應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬研究＊

房 蕭 巨 峰 何 琪 付家亭

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

千秋礦綜放面巨厚懸空礫巖層采動應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬研究＊

房 蕭1，2巨 峰1，2何 琪1，2付家亭1，2

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

利用離散元軟件UDEC4.0對千秋礦21141綜放工作面在巨厚懸空礫巖層下的采動應(yīng)力分布進行模擬研究。結(jié)果表明，隨推采面積的加大，礫巖在不斷彎曲變形，撓度增大，礫巖體對工作面前方煤體及切眼后方煤體的作用力逐漸增大，并隨煤體的開采而重新分布，因此工作面煤體內(nèi)部支承應(yīng)力將隨著煤體塑性范圍的擴大向深部轉(zhuǎn)移，并重新積聚產(chǎn)生新的沖擊危險。

綜放工作面 巨厚懸空礫巖 采動應(yīng)力 應(yīng)力分布 數(shù)值模擬

煤層頂板巖層特性是沖擊礦壓發(fā)生的重要影響因素。研究表明：上覆巖層的懸頂長度越大越容易發(fā)生沖擊，且隨著懸頂長度的增加，沖擊危險性迅速增高；堅硬、厚而完整的頂板突然斷裂，易誘發(fā)頂板型沖擊礦壓，且基本頂厚度越大，完整性越好，發(fā)生的沖擊強度也越大。但是，目前國內(nèi)外對于巨厚懸空礫巖層采動應(yīng)力分布研究并不明確，故有必要分別對巨厚懸空礫巖層在兩次采動影響下應(yīng)力分布規(guī)律進行研究。

由于巖土材料結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，離散元數(shù)值模擬軟件UDEC4.0已廣泛應(yīng)用于工程巖體模擬研究。煤礦開采將使采場頂板巖體系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的節(jié)理裂隙和變形塊體，并在頂板巖層變形、斷裂和下沉過程中產(chǎn)生應(yīng)力擾動和釋放震動能量，本文以義馬煤業(yè)公司千秋煤礦21141綜采放頂煤工作面為例，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對巨厚懸空礫巖影響下采場應(yīng)力分布規(guī)律用離散單元法進行模擬研究。

1 工作面概況

21141綜采放頂煤工作面位于礦井西部二水平21采區(qū)下山西翼，北鄰21121采空區(qū)，南鄰未開采的21161工作面，西鄰千秋礦、耿村礦邊界煤柱，東鄰21采區(qū)下山煤柱。地面標高590.1～617.5m，工作面標高為－38.1～－84.7m，平均采深665.2m。對應(yīng)地表位置為丘陵山地，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育，地表無村莊、無水體。工作面可采走向長度1298m，傾斜長度130m，傾角10～14°。該工作面回采二煤，平均煤厚約20m。煤層為黑色塊狀及粉末狀，具瀝青光澤，干燥、疏松破碎，極易自燃。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2～4層夾矸，含矸巖性分別為細砂巖、粉砂巖、泥巖，局部煤體紊亂。一層夾矸為含礫細砂巖，礫石為細粒狀石英巖屑，平均厚度0.5m，基本穩(wěn)定，特征明顯。二層夾矸為泥巖，較穩(wěn)定。煤巖類型為半亮型—半暗型。

直接頂為深灰色泥巖，夾菱鐵質(zhì)薄層，致密均一、斷口平坦，具隱蔽水平層理發(fā)育，厚度23.02～27.63m，分布較穩(wěn)定，老頂為中侏羅系雜色礫巖，厚度較大，平均407m。底板自上而下為煤矸互層、碳質(zhì)泥巖、含礫泥巖、細砂巖、粉砂巖礫巖，分布不穩(wěn)定。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模擬參數(shù)確定

研究上覆巨厚礫巖層對采場回采時的影響，模型不可簡化，模型上邊界為地表，模型的左右邊界不小于一個完整工作面的開采及影響范圍。建立走向模型范圍為2000m×700m。圖1為21141工作面模型圖。

圖1 千秋礦21141工作面模型圖

圍巖物理力學性質(zhì)參照該礦工作面實際巖體力學特性。節(jié)理特性考慮采動影響，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用莫爾－庫侖（Mohr－Coulomb）模型。

2.2 開挖過程的合理模擬

本數(shù)值模擬分析中的巖石工程是多次開挖完成的，由于巖石受力后，其內(nèi)部的應(yīng)力具有傳遞性，因此，前面的每次開挖都對后面的開挖產(chǎn)生影響，施工順序不同，開挖步驟不同，都有各自不同的最終力學效應(yīng)，也有不同的巖石工程穩(wěn)定性狀態(tài)。本次模擬的步驟為：

（1）建立走向模型，并進行模型的原巖應(yīng)力平衡計算；

（2）走向模型進行分步開挖，模型應(yīng)力平衡計算，進行數(shù)據(jù)的提取與后處理；

（3）根據(jù)千秋礦21采區(qū)實際開采順序進行開挖，先開挖21101和21121工作面，再開挖21181和21201工作面，最后開挖21141工作面。

2.3 測線與測點布置

在進行初步的試運算后，根據(jù)運算情況在21141工作面的頂板中設(shè)置監(jiān)測線，以研究工作面回采過程中的應(yīng)力和位移變化規(guī)律。另外在巨厚礫巖層底部也布置監(jiān)測線來研究礫巖層的變形規(guī)律。

工作面開掘引起覆巖破斷與運動，數(shù)值分析過程的時間設(shè)置雖不能與實際開采影響的時間過程相對應(yīng)，但數(shù)值分析中不同時間段的應(yīng)力結(jié)果反映了實際開采過程中巖層應(yīng)力的演化過程。

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 巨厚懸空礫巖層一次采動應(yīng)力分布特征

根據(jù)千秋煤礦21采區(qū)實際情況，首先對21101、21121工作面進行開挖。所以21141工作面在開采之前就深受巨厚礫巖的影響。將21101和21121工作面采后對21141工作面的影響稱為一次采動影響，將21181和21201工作面采后對21141工作面影響稱為二次采動影響。一次采動后，21141工作面覆巖運動變形影如圖2所示。

21101和21121工作面采完后應(yīng)力分布如圖3所示。從左側(cè)煤壁到采空區(qū)，21101和21121工作面頂板中應(yīng)力分布情況可劃分為4個區(qū)域：原巖應(yīng)力區(qū)、支承應(yīng)力影響區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。一次采動后巨厚礫巖層盡管由于其整體結(jié)構(gòu)懸而不垮，但隨著下位巖層的垮落變形，巨厚礫巖層逐漸分層形成了塑性區(qū)。

3.2 巨厚懸空礫巖層二次采動應(yīng)力分布特征

對21181和21201工作面進行開挖，其對21141工作面覆巖運動變形影響如圖4所示。

圖4 二次采動后21141工作面覆巖運動變形情況

巨厚礫巖層的懸而不垮使得已采工作面采空區(qū)覆巖不能充分壓實形成承載結(jié)構(gòu)，只有采空區(qū)中部區(qū)域的覆巖觸矸穩(wěn)定，工作面上下端頭區(qū)域均不承載。巖層承載結(jié)構(gòu)因此發(fā)生了根本性的變化：二煤覆巖的自重不再是均載分布，而是由采區(qū)上端實體煤、采區(qū)下端實體煤和未開采的21141工作面承載。21141工作面二次采動后應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 二次采動后監(jiān)測線應(yīng)力分布規(guī)律

3.3 不同開采階段應(yīng)力分布特征的比較

當一次采動后，采動應(yīng)力達到24MPa，當二次采動后，隨著礫巖的進一步彎曲，其下部受拉，應(yīng)力達到了34.98MPa，相比原巖應(yīng)力有較大的變化，巖層內(nèi)部由于彎曲產(chǎn)生的彈性能容易誘發(fā)沖擊礦壓。如圖6所示。

圖6 不同開采階段模型監(jiān)測線應(yīng)力變化曲線

當煤層在巨厚懸空礫巖層下采動時，煤層覆巖塑性區(qū)的分布規(guī)律（見圖7）可知，以目前21采區(qū)工作面的開采順序開采，21141工作面采空區(qū)上方的巨厚礫巖層產(chǎn)生了明顯的分層塑性變形，而兩側(cè)巨厚礫巖則發(fā)生整體性斷裂，形成相互擠壓的塊體結(jié)構(gòu)，這對21161工作面的開采是極為不利的。

圖7 21141工作面采后覆巖塑性區(qū)分布

工作面采后，覆巖逐層垮落變形，自下而上形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。煤層頂板中應(yīng)力的分布直接受巨厚礫巖層的影響，煤層中最大支承應(yīng)力與巨厚礫巖層中最大支承應(yīng)力位于同一水平投影位置，如圖8所示。

圖8 21141工作面采后不同位置監(jiān)測線垂直應(yīng)力分布圖

綜上所述，21181和21201工作面采后巨厚礫巖層在采區(qū)上部出現(xiàn)了線狀的拉破斷區(qū)，使得巨厚礫巖層整體破斷。這種巨大的巖塊具有整體下滑、旋轉(zhuǎn)等失穩(wěn)趨勢。而21101和21121采空區(qū)上方的礫巖層由于下位巖層的切頂作用，塑性區(qū)的分布呈現(xiàn)階段性的向上發(fā)展，具有分層而不是整體性的特點。巨厚礫巖層的這種局部塑性變形擴容、整體破斷垮落失穩(wěn)的特點使得未開采的21141工作面的支承應(yīng)力達到36.59MPa，為工作面原巖應(yīng)力的2.01倍。

4 結(jié)論

上覆巨厚礫巖層的自重應(yīng)力及下位巖層的沖擊載荷是21141工作面發(fā)生沖擊地壓的主要力源。

（1）隨工作面開采面積加大，礫巖不斷彎曲變形，撓度增大，礫巖體對工作面前方煤體及切眼后方煤體的作用力逐漸增大，因此工作面煤體內(nèi)部支承應(yīng)力將隨著煤體塑性范圍的擴大向深部轉(zhuǎn)移，并重新積聚產(chǎn)生新的沖擊危險。

（2）工作面直接頂初次垮落步距為40m左右，工作面推進60m后，老頂初次來壓。隨著工作面的推進，工作面周期來壓步距為50m左右。當工作面推進300m后，巨厚礫巖懸空距離達到最大，為14.06m。繼續(xù)向前推進10m后，巨厚礫巖底部開始分層垮落，說明310m是巨厚礫巖的極限懸空步距。此后，巨厚礫巖不再懸空開始觸底穩(wěn)定并壓實下位巖層，采空區(qū)應(yīng)力快速增大至原巖應(yīng)力的1.6倍。

（3）由于巨厚礫巖層整體性好，分層厚度大，利于傳遞上覆巖層對下位煤層的沖擊載荷，對礫巖層形成的集中應(yīng)力傳播速度較快，從而為沖擊地壓的產(chǎn)生提供了必要的條件。當支承應(yīng)力傳遞到采場并向采場周圍空間釋放時，就會發(fā)生沖擊礦壓事故。

[1] 譚輔清，昝東峰，周楠，鄧雪杰.巨厚礫巖層下工作面過斷層覆巖運動規(guī)律研究及應(yīng)用[J].中國煤炭，2011（9）

[2] 牟宗龍，竇林名，李慧民等.頂板巖層特性對煤體沖擊影響的數(shù)值模擬[J].采礦與安全工程學報，2009（1）

[3] 唐軍華，白海波，杜峰.采場支承壓力分區(qū)變異特征研究[J].采礦與安全工程學報，2011（2）

[4] 尹士獻，李德海，馬永慶.采動影響下硐室群穩(wěn)定性預(yù)測研究[J].采礦與安全工程學報，2009（3）

[5] 楊官濤，李夕兵，王其勝等.地下采場失穩(wěn)的能量突變判斷準則及其應(yīng)用[J].采礦與安全工程學報，2008（3）

[6] 徐學鋒，竇林名，曹安業(yè)等.覆巖結(jié)構(gòu)對沖擊礦壓的影響及其微震監(jiān)測[J].采礦與安全工程學報，2011（1）

[7] 劉義新，戴華陽，郭文兵.巨厚松散層下深部寬條帶開采地表移動規(guī)律[J].采礦與安全工程學報，2009（3）

[8] 范鋼偉，張東升，馬立強.神東礦區(qū)淺埋煤層開采覆巖移動與裂隙分布特征[J].中國礦業(yè)大學學報，2011（2）

[9] 姚邦華，周海峰，陳龍.重復(fù)采動下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2010（3）

[10] 姜福興，XUN Luo，楊淑華.采場覆巖空間破裂與采動應(yīng)力場的微震探測研究[J].巖土工程學報，2003（1）

[11] 康紅普.煤礦井下應(yīng)力場類型及相互作用分析[J].煤炭學報，2008（12）

Numerical simulation about the stress distribution characteristics of the caving face under the thick impending mining conglomerate layer

Fang Xiao1，2，Ju Feng1，2，He Qi1，2，F(xiàn)u Jiating1，2
（1.School of Mines，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources ＆Mine Safety，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The stress distribution characteristics of the 21141caving facing in Qianqiu coal mine under the thick impending mining conglomerate layer by discrete element software UDEC4.0have been studied.Result shows that as the increasing of the mining area，the conglomerate constant bending and deflection，the force of cutting the coal ahead and behind of the caving face are increasing and are redistributed.So the internal bearing stress of coal mining face will expand to deep layer as the plastic deformation of coal increasing，which formed new impact dangerous.

the caving face，the thick impending conglomerate，mining stress，stress distribution，numerical simulation

TD323

A

國家自然科學基金面上項目（51074165）；國家自然科學基金重點項目（50834004）

房蕭（1987－），男，遼寧凌源人，在讀碩士研究生，從事采動巖體控制及固體物充填開采等方面的研究。

（責任編輯 張毅玲）