淺埋厚基巖煤層工作面圍巖應(yīng)力演化及覆巖破壞規(guī)律研究*

舒仕海，任建軍，王維建，阮毅，柳光磊

(興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義市 562400)

0 引言

為了持續(xù)推進(jìn)我國“一帶一路”倡議，煤炭作為主要能源必不可少。煤層被開采，圍巖應(yīng)力重新分布，覆巖破壞，積聚的彈性勢能可能會導(dǎo)致煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象[1-4]。目前，數(shù)值模擬軟件、相似模擬實(shí)驗(yàn)等方法廣泛應(yīng)用于研究圍巖應(yīng)力分布及覆巖破壞規(guī)律。凌濤等利用相似模擬、理論計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測的方法揭示了巷道穿越采空區(qū)時采場覆巖破壞規(guī)律并提出支護(hù)對策[5]；李俊營運(yùn)用 FLAC3D以應(yīng)力變化為切入點(diǎn)，研究了21172工作面超前支撐壓力、圍巖應(yīng)力、圍巖活動規(guī)律[6]；付玉凱利用現(xiàn)場實(shí)測和FLAC3D數(shù)值軟件研究了采動應(yīng)力影響下巷道圍巖變形破壞機(jī)理及注漿加固技術(shù)[7]；謝廣祥與王磊運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測，對采場圍巖應(yīng)力殼力學(xué)特征的巖性效應(yīng)進(jìn)行了分析和研究[8]；馮友良將數(shù)值模擬與理論分析計(jì)算相結(jié)合，得出了煤巷圍巖應(yīng)力分布特征及幫部破壞機(jī)理[9]；劉鵬等運(yùn)用FLAC3D對基于斷層弱化法特大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[10]；劉兵運(yùn)用FLAC3D對煤層頂?shù)装宓乃苄云茐倪M(jìn)行了深入的研究[11]；劉樹新等運(yùn)用FLAC3D研究分析了常村煤礦2101工作面覆巖破壞規(guī)律[12]；2015年，Zhao Xiaodong等首次提出了GIS與FLAC3D耦合計(jì)算礦井長壁工作面覆巖破壞空間分布的集成方法[13]；李新華等利用工作面礦壓觀測和 UDEC數(shù)值模擬，分析了含水層下“三軟”煤層覆巖破壞發(fā)展與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系[14]；劉偉韜等通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證了數(shù)值模擬關(guān)于覆巖破壞高度結(jié)果的準(zhǔn)確性及優(yōu)越性[15]；來興平等運(yùn)用相似模擬實(shí)驗(yàn)與聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)合的方法揭示了采動覆巖破壞演化特征[16]；張陽等通過建立上覆巖層移動變形力學(xué)模型和推導(dǎo)巖體內(nèi)位移、應(yīng)變與應(yīng)力的數(shù)學(xué)表達(dá)式，揭示了覆巖變形破壞的規(guī)律[17]。筆者結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬、相似模擬和理論計(jì)算，對喀斯特地貌構(gòu)造條件下的淺埋厚基巖煤層工作面圍巖應(yīng)力演化及覆巖破壞規(guī)律進(jìn)行研究，為后續(xù)開采和類似地質(zhì)條件下的煤礦井下作業(yè)提供參考。

1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)及參數(shù)選取

通過收集和整理貴州某煤礦綜采工作面110302的地質(zhì)資料，得出工作面走向長度為452.5 m，傾向長度為120～168 m，煤層傾角為16°，1#煤層平均厚度約為1.4 m，3#煤層平均厚度約為2.3 m，雖然在1#煤層和3#煤層之間有0.7 m的泥巖或粉砂質(zhì)泥巖的夾矸，但為了使得經(jīng)濟(jì)效益最大化，避免資源浪費(fèi)，工作面仍實(shí)行1#、3#煤層合并開采。布置的工作面距離地表約為145.78 m，采場上覆基巖的厚度為 65～83.18 m，屬于典型的淺埋厚基巖煤層。根據(jù)數(shù)值模擬軟件計(jì)算的特點(diǎn)，需要對模型消除邊界效應(yīng)，在工作面走向方向上，兩端各留100 m邊界寬度，在傾向方向上兩端各留100 m邊界寬度。模型長×寬×高為660×360×269.89。模型一共有115 500個單元，并有122 976個節(jié)點(diǎn)，模型頂面加載垂直地應(yīng)力 3.201 MPa。計(jì)算模型如圖 1所示。依托實(shí)驗(yàn)室煤巖參數(shù)測試結(jié)果，利用各參數(shù)之間的關(guān)系式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。修正后的各煤、巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 計(jì)算模型

表1 各煤、巖層力學(xué)參數(shù)

1.2 采場圍巖應(yīng)力演化規(guī)律分析

由于煤層被開采，采場圍巖的原始應(yīng)力平衡遭到破壞，使得采場圍巖應(yīng)力在一定范圍內(nèi)發(fā)生動態(tài)變化，工作面前方煤巖體應(yīng)力升高，采空區(qū)位置應(yīng)力降低，煤壁上方一定范圍內(nèi)出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力卸壓區(qū)。為了掌握頂板巖層應(yīng)力演化規(guī)律，在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，在煤層頂板垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶中各布置了一組應(yīng)力觀測線，以沿工作面推進(jìn)不同距離時3條觀測線各測點(diǎn)應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，測點(diǎn)距工作面的長度為橫坐標(biāo)，繪制垂直應(yīng)力曲線圖，如圖2所示。

以開切眼為起點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)長度為 45 m時，在煤壁前方20 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值；當(dāng)距離開切眼85 m時，在煤壁前方17 m左右出現(xiàn)超前支承壓力峰值。當(dāng)工作面推進(jìn)至 125 m時，在煤壁前方15 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值。當(dāng)距離開切眼165 m時，在煤壁前方13 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值。

在采場前方和采空區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)煤巖體上方支承壓力分布得出：測線距離煤層越遠(yuǎn)時，超前支承壓力峰值在逐漸減小，隨著工作面的開采，采空區(qū)的應(yīng)力值變小，卸壓范圍擴(kuò)大，當(dāng)卸壓范圍到60～80 m時，工作面推進(jìn)長度為165 m。由于未發(fā)現(xiàn)超前支承壓力對工作面煤壁前方的煤巖體產(chǎn)生影響，故認(rèn)為在工作面前方60 m以外范圍仍保持原巖應(yīng)力；工作面前方6～60 m范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)超前支承壓力對工作面前方煤巖體有劇烈影響，在工作面前方13～20 m范圍內(nèi)出現(xiàn)超前支承壓力峰值；工作面前方6 m到工作面后方采空區(qū)50 m范圍內(nèi)處于應(yīng)力降低區(qū)；采空區(qū)后50 m以外范圍屬于應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。

1.3 采場覆巖塑性破壞特征

工作面煤層采完之后，采場上覆巖層會跨落并擠壓，圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巖體發(fā)生塑性破壞。根據(jù)塑性破壞區(qū)域?qū)Σ蓤龈矌r塑性破壞特征進(jìn)行分析，歸納如下：

（1）經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在距離開切眼 45 m時直接頂初次來壓，使得工作面前方超前支承壓力急劇增大，應(yīng)力集中系數(shù)在增加，煤層頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域迅速變大，同時破壞深度也在增加，頂?shù)装逯饕l(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，采場底板最大破壞深度達(dá)到5.66 m，頂板最大破壞深度達(dá)到11.15 m，工作面上出口的破壞程度要小于下出口，煤層頂板破壞區(qū)域呈“階梯狀”分布。

圖2 不同推進(jìn)階段垂直應(yīng)力變化曲線

（2）在工作面不斷回采的過程中，上覆巖層破壞深度不斷加大。當(dāng)工作面推進(jìn)85 m時，工作面下出口的破壞范圍加大，此時，頂板最大破壞深度為20.75 m。在頂板8.84 m～14.55 m范圍內(nèi)，一部分巖體已經(jīng)發(fā)生了剪切破壞，還有一部分巖體正在發(fā)生剪切破壞，煤層頂板破壞區(qū)域呈“梯形”分布，底板破壞深度沒有增加，但橫向破壞范圍增大。

（3）如圖3所示，當(dāng)工作面推進(jìn)125 m時，頂板破壞區(qū)域“梯形”分布趨于明顯，當(dāng)頂板破壞深度繼續(xù)增加時，其最大破壞深度增加至30.35 m。

圖3 工作面推進(jìn)125 m塑性破壞區(qū)域分布

（4）當(dāng)距離開切眼165 m時，頂板破壞明顯呈“梯形”分布，頂板破壞范圍開始趨于穩(wěn)定，頂板破壞深度達(dá)39.95 m。

（5）如圖4所示，當(dāng)工作面推進(jìn)205 m時，頂板破壞深度逐漸穩(wěn)定且不再增加。

圖4 工作面推進(jìn)205 m塑性破壞區(qū)域分布

由以上分析可知：隨著采空區(qū)面積不斷增大，煤層頂板破壞區(qū)域在持續(xù)變大，且破壞深度也在增加，破壞區(qū)域一開始呈“階梯形”分布，之后逐步演變?yōu)槌省疤菪巍狈植?。?dāng)工作面回采至45 m時，由于采空區(qū)頂板懸露面積大，直接頂初次來壓，與相似模擬實(shí)驗(yàn)所得的初次來壓步距46 m相吻合。當(dāng)工作面回采45 m～125 m時，由于基本頂周期來壓，頂板破壞深度明顯增加；當(dāng)回采165 m時，頂板破壞范圍開始趨于穩(wěn)定。當(dāng)回采205 m時，頂板破壞區(qū)域范圍已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故本次模擬的頂板破壞深度最大值為 39.95 m。采動條件下煤層頂板由下而上，依次分為：①拉伸破壞區(qū)；②（剪切、拉伸）裂隙區(qū)；③剪切破壞區(qū)；④未受擾動區(qū)。從選取的塑性破壞區(qū)域圖看出垮落帶及導(dǎo)水裂縫帶的高度與拉伸破壞區(qū)和（剪切、拉伸）裂隙區(qū)的范圍密切相關(guān)。以模型設(shè)計(jì)和劃分為依據(jù)，計(jì)算出垮落帶的高度約為 11.67 m，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度約為39.95 m。

2 相似材料模擬分析結(jié)果

在相似模擬實(shí)驗(yàn)開采過程中，發(fā)現(xiàn)頂板先彎曲下沉，產(chǎn)生裂隙破斷以后，工作面煤壁附近為旋轉(zhuǎn)下沉，這是由頂板主要發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞導(dǎo)致的。距離開切眼44 m時，由于上覆巖層自身載荷和開采的共同作用，導(dǎo)致直接頂大面積垮落，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，基本頂覆巖裂隙發(fā)育程度出現(xiàn)先增大再減少后變化不明顯的過程。工作面回采至162.6 m時，基本頂呈現(xiàn)了五次周期來壓，沿工作面走向測出覆巖垮落角為48°～53°，采空區(qū)一側(cè)的垮落角為55°，覆巖垮落帶高度為11.4 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為39.2 m。

3 覆巖兩帶高度對比分析

通過煤巖參數(shù)測試結(jié)果可知，貴州某煤礦110302首采工作面的頂板為中等穩(wěn)定巖層。通過查閱相關(guān)技術(shù)規(guī)程可以確定 110302首采工作面的垮落帶和裂隙帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式分別為：

式中，∑M為累計(jì)采厚，m；Hk為垮落帶高度，m；HLi為導(dǎo)水裂縫帶高度，m。

將累計(jì)采厚∑M=3.7 m帶入式（1）和式（2），得出垮落帶和裂隙帶高度范圍分別為 7.97～12.37 m和33.27～44.47 m，該結(jié)果與數(shù)值模擬和相似模擬實(shí)驗(yàn)測出的值進(jìn)行對比，認(rèn)為模擬實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

（1）在相似模擬開挖過程中，頂板先彎曲下沉，產(chǎn)生裂隙破斷以后，工作面煤壁附近為旋轉(zhuǎn)下沉，可以得出頂板主要發(fā)生了剪切破壞和拉伸破壞，這與數(shù)值模擬分析得出的塑性區(qū)域破壞圖所顯示的結(jié)果相符合。

（2）在回采工作面前后方范圍內(nèi)支承壓力變化存在著4個區(qū)域：①在工作面前方60 m以外范圍沒有受采動影響，認(rèn)為是原巖應(yīng)力不變區(qū)；②在工作面前方6～60 m范圍內(nèi)，受到工作面超前支承壓力的劇烈影響，圍巖應(yīng)力值先迅速增大后逐漸變小，屬于應(yīng)力增高區(qū)；③工作面前方6 m到工作面后方采空區(qū)50 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)；④采空區(qū)后50 m以外范圍屬于應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。

（3）采場頂板破壞區(qū)域先是“階梯狀”分布，后逐漸演變?yōu)椤疤菪巍狈植?；工作面下出口的破壞程度要大于上出口，主要的影響因素是煤層傾角。

（4）由塑性破壞區(qū)域圖可知垮落帶的高度約為11.67 m，導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度約為39.95 m，與經(jīng)驗(yàn)公式和相似模擬得出的數(shù)值大致相符，達(dá)到了三者相互驗(yàn)證的效果。