綜采工作面采動覆巖破壞形態(tài)與應(yīng)力演化規(guī)律研究

邸晟鈞，張少彥，曹 勇，薛 磊

(1.山西焦煤集團(tuán)公司 技術(shù)中心， 山西 太原 030024； 2.山西登?？得簶I(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000； 3.山西西山礦業(yè)管理有限公司 鉆探分公司， 山西 太原 030053)

頂板事故是煤礦主要事故類型之一，隨著煤礦開采深度的加深，開采強(qiáng)度的加大，工作面推進(jìn)過程中往往會出現(xiàn)更明顯的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。因此，通過對礦井采動覆巖應(yīng)力場進(jìn)行研究，為井下支護(hù)、回采工程提供理論基礎(chǔ)具有極其重要的意義。

對于采動覆巖應(yīng)力場分布規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，尹光志等[1]通過自主研發(fā)的多物理場耦合大型模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用實(shí)驗(yàn)的方法分析了不同開采條件下上覆巖層應(yīng)力分布情況，揭示在煤礦開采影響下，覆巖裂隙演化規(guī)律。魯海峰等[2]采用巖體力學(xué)相關(guān)理論建立煤層開采覆巖應(yīng)力分布模型，分析在開采過程中上覆巖層應(yīng)力變化情況，精準(zhǔn)預(yù)測煤層頂?shù)装迤茐奈恢?。于斌[3]采用理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法揭示大同礦區(qū)特厚綜采煤層開采過程中礦壓顯現(xiàn)特征，為煤層頂板支護(hù)、支架選型提供理論依據(jù)。林海飛、李生舟[4, 5]基于Flac3D軟件進(jìn)行采動覆巖破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究，分析采動影響下覆巖滲透率破壞規(guī)律，研究卸壓瓦斯運(yùn)移特征，為采空區(qū)瓦斯治理方式的優(yōu)選提供基礎(chǔ)。蔣金泉等[6]為了分析斷層對采動應(yīng)力分布的影響，采用三維數(shù)字模擬的方法，建立斷層影響下采動覆巖應(yīng)力數(shù)值模擬模型，分析工作面與斷層相對位置對采動覆巖應(yīng)力場的影響。樊曉飛[7]采用理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析采動影響下煤層巷道變形情況以及圍巖各向應(yīng)力的分布特征。

以屯蘭礦12507工作面回采工程為研究背景，采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件，進(jìn)行采動覆巖應(yīng)力場演化規(guī)律分析，為該工作面采煤及支護(hù)工藝的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 工程背景與數(shù)值模擬方法

12507工作面位于屯蘭礦南五盤區(qū)，主采煤層為2#、3#煤層，開采厚度平均為4.57 m，走向長度1 644 m，傾向長度220 m，采用綜合機(jī)械化后退式一次采全高方法進(jìn)行開采，全部垮落法管理頂板。東鄰12505工作面(已形成回采工作面)，西為南五盤區(qū)左翼未布置工作面，南鄰富開洗煤廠保護(hù)煤柱，北鄰南五盤區(qū)大巷。工作面地表北東為對坡村(已拆遷)，南東為富開洗煤廠，南西為東大嶺村，北東為南溝，區(qū)域地表以山地地形為主，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，上覆巖層厚度433～586 m，頂?shù)装逯饕苑凵皫r、炭質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖為主(表1).

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

為分析屯蘭礦12507工作面采動覆巖應(yīng)力場演化規(guī)律，采用COMSOL Multiphysics軟件建立三維數(shù)值模擬模型，模型尺寸400 m×400 m×150 m，由于煤層平均傾角3°，可將模型進(jìn)行水平處理，部分上覆巖層的作用等效為均布荷載，荷載大小為10 MPa. 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2.

表2 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2 采動覆巖破壞規(guī)律

工作面推進(jìn)30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m時，上覆巖層塑性區(qū)分布規(guī)律見圖1.由圖1可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時，煤層頂?shù)装逦恢锰幘l(fā)生了小范圍破壞，此時塑性區(qū)域僅分布于采空區(qū)周圍。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層塑性區(qū)不斷由煤層頂板向上發(fā)育，當(dāng)工作面推進(jìn)180 m，塑性區(qū)的破壞范圍已經(jīng)發(fā)育到距煤層頂板55 m范圍處。在工作面回采過程中由于采空區(qū)邊緣的煤柱影響，該處一直處于應(yīng)力集中狀態(tài)，所以在采空區(qū)邊緣處塑性區(qū)發(fā)育最高，而采空區(qū)中部塑性區(qū)較為不發(fā)育，在整個回采過程中采動覆巖塑性破壞區(qū)形狀呈馬鞍狀。

圖1 工作面推進(jìn)不同距離上覆巖層塑性區(qū)域分布規(guī)律圖

3 采動覆巖應(yīng)力演化規(guī)律

工作面推進(jìn)不同距離走向應(yīng)力分布見圖2. 由圖2可以看出，隨著采掘工程的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力重新分布，在煤柱的影響下采空區(qū)邊緣發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在采空區(qū)中部會出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象。隨著工作面的回采，采空區(qū)邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象變得更加明顯，而采空區(qū)中部覆巖卸壓區(qū)域發(fā)展高度也逐漸變高。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離走向應(yīng)力分布圖

工作面推進(jìn)不同距離時煤層底板沿走向應(yīng)力分布見圖3.由圖3可以看出，走向應(yīng)力近似于對稱分布，采空區(qū)邊緣出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著采煤工作面推進(jìn)距離的增加，采空區(qū)邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。采煤工作面推進(jìn)30 m，采空區(qū)邊緣應(yīng)力峰值為16.1 MPa，當(dāng)采煤工作面分別推進(jìn)60 m、90 m、120 m、150 m、180 m，采空區(qū)邊緣應(yīng)力峰值分別增至16.1 MPa、17.5 MPa、21.1 MPa、24.1 MPa、26.8 MPa、29.0 MPa，以推進(jìn)30 m為基準(zhǔn)，采空區(qū)邊緣應(yīng)力峰值增加了8.7%、31.1%、49.7%、66.5%和80.1%.

圖3 工作面推進(jìn)不同距離沿走向煤層底板應(yīng)力分布圖

4 采動覆巖卸壓區(qū)形態(tài)分布規(guī)律

工作面推進(jìn)不同位置距離煤層頂板10 m處巖層應(yīng)力分布見圖4.由圖4可以看出，采空區(qū)正上方覆巖出現(xiàn)了一圈應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)域的形狀可近似認(rèn)為圓角矩形，在回采初期走向集中應(yīng)力高于傾向集中應(yīng)力，隨著采煤工作的進(jìn)行，短邊效應(yīng)影響消失，采空區(qū)四周應(yīng)力峰值大小相等。采空區(qū)中部上方對應(yīng)覆巖出現(xiàn)明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，但由于受四周煤柱影響，采空區(qū)邊緣對應(yīng)上覆巖層也會出現(xiàn)較小的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)為1.8.

圖4 工作面推進(jìn)不同位置距離煤層頂板10 m處巖層應(yīng)力分布圖

5 結(jié) 論

1) 隨著采煤工程的進(jìn)行，屯蘭礦12507工作面采空區(qū)上覆巖層破壞區(qū)域不斷變大，且沿走向采動覆巖塑性破壞區(qū)呈中間下凹兩端凸出的馬鞍狀，當(dāng)推進(jìn)180 m時，塑性區(qū)發(fā)展到距煤層頂板55 m范圍處。

2) 在采煤過程中，圍巖應(yīng)力重新分布，受到煤柱的影響采空區(qū)邊緣發(fā)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)工作面推進(jìn)180 m時，采空區(qū)邊緣煤柱應(yīng)力峰值達(dá)29.0 MPa，較工作面推進(jìn)30 m時，應(yīng)力值增加80.1%.

3) 采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力集中區(qū)域呈圓角矩形，回采初期傾向應(yīng)力相對較小，隨著工作面推進(jìn)，短邊效應(yīng)消失，采空區(qū)四周應(yīng)力峰值大小相等。