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

趙國(guó)慶

（霍州煤電集團(tuán) 河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

0 引 言

煤層回采工作面自開(kāi)切眼到采空區(qū)初次來(lái)壓期間，基本頂與老頂?shù)膽?yīng)力發(fā)生卸荷，導(dǎo)致采空區(qū)周圍出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，而在回采工作面的推進(jìn)過(guò)程中，煤壁前方的超前支承壓力處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，支承壓力的顯現(xiàn)特征通常通過(guò)支承壓力的分布范圍，分布形式以及應(yīng)力峰值來(lái)表示。本文通過(guò)建立數(shù)值模擬模型，對(duì)煤層回采工作面前方煤壁的應(yīng)力及塑性破壞進(jìn)行探究，以獲得回采工作面采動(dòng)應(yīng)力的分布特征及其演化規(guī)律，為工作面的安全生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 回采工作面開(kāi)采后應(yīng)力重分布分布模型

地下煤體在開(kāi)下之前，原巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，而煤炭的開(kāi)采破壞了原巖應(yīng)力的力學(xué)平衡狀態(tài)，從而引起回采工作面周圍巖體的增壓與卸荷。隨著工作面的向前推進(jìn)，在工作面前方形成應(yīng)力分區(qū)，根據(jù)切向應(yīng)力大小可以分為增壓區(qū)、減壓區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)。在煤層開(kāi)采完以后，采空區(qū)上部巖層重量向采空區(qū)周圍巖體轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)周圍形成支承壓力帶。隨著工作面向前推進(jìn)，在煤壁前方形成超前支承壓力，在工作面后方形成采空區(qū)支承壓力，在傾向方向形成殘余支承壓力。而對(duì)于近水平煤層開(kāi)采，工作面長(zhǎng)度方向和推進(jìn)方向 “壓力拱”殼基本呈對(duì)稱形態(tài)，覆巖內(nèi)“壓力拱” 主要有以下特征，頂板巖層破裂并在自重作用下逐漸冒落充填采空區(qū), 巖體內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一種新的平衡而不再移動(dòng)。隨著工作面的推進(jìn)，又打破新的平衡，頂板巖層破裂繼續(xù)充填采空區(qū)。巖體的移動(dòng)就是這種 “破裂—平衡” 往復(fù)循環(huán)過(guò)程，直至形成一個(gè)整體的自穩(wěn)狀態(tài)。 壓力拱線位于工作面覆巖彎曲帶和采場(chǎng)周圍未失穩(wěn)煤巖體中，在工作面長(zhǎng)度和推進(jìn)方向上具有幾何形態(tài)近似對(duì)稱性。 壓力拱拱殼存在于尚未斷裂的覆巖中，拱高一般大于采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育的最大高度。壓力拱以內(nèi)的巖體均受壓應(yīng)力作用，以拉應(yīng)力為0 的曲線作為最低的“壓力拱” 線。

2 礦井概況

杜家溝礦位于山西省河津市清澗街道辦杜家溝村西北約3 km 處，井田面積9.89 km2，屬高瓦斯礦井?，F(xiàn)主要開(kāi)采2 號(hào)、10 號(hào)煤層，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/a，開(kāi)采水平為+1 010 m，杜家溝礦20101 回采工作面幾何尺寸為走向長(zhǎng)度960 m，傾向長(zhǎng)度143 m，面積137 126.8 m2。煤層總厚3.15 ～4.0 m，平均厚3.55 m。20101 綜采工作面位于杜家溝礦北五盤區(qū)，走向長(zhǎng)1 128 m，采長(zhǎng)236 m，平均采高4.8 m，可采儲(chǔ)量147 萬(wàn)t，屬于高瓦斯盤區(qū)，瓦斯治理難度比較大，工作面采用 “U 型” 通風(fēng)方式。

3 數(shù)值模型建立及參數(shù)設(shè)計(jì)

數(shù)值模型尺寸為100 m×40 m×10 m，煤層頂板巖體成分組成主要為粉砂巖和泥砂巖，底板巖體成分組成主要為細(xì)粒砂巖和中粒砂巖。根據(jù)平面應(yīng)力條件，在模型的前后、左右以及下表面采用應(yīng)力約束，在上表面施加10 MPa 壓力用來(lái)模擬上覆巖層重量，煤層頂?shù)装寰唧w物理參數(shù)自上而下依次是粉砂巖平均厚度17 m，密度2 540 kg/m3，抗拉強(qiáng)度3.8 MPa； 泥巖平均厚度10 m， 密度2 500 kg/m3，抗拉強(qiáng)度1.8 MPa；煤層平均厚度4 m，密度1 390 kg/m3，抗拉強(qiáng)度1.53 MPa；細(xì)粒砂巖平均厚度4 m，密度2 560 kg/m3，抗拉強(qiáng)度3.6 MPa；中粒砂巖平均厚度15 m，密度2 550 kg/m3，抗拉強(qiáng)度3.4 MPa。同時(shí)，在煤層覆巖布置29 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)工作面前后方覆巖應(yīng)力變化，其應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性組成及應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 1 Lithologic composition of coal seam roof and floor and arrangement of stress monitoring points

4 覆巖塑性區(qū)分布演化特征

圖2 為工作面覆巖塑性區(qū)形態(tài)，從圖中可以看出隨著工作面的向前推進(jìn)，采空區(qū)上方基本頂塑性區(qū)形態(tài)為拉破裂與剪破裂，說(shuō)明基本頂?shù)目迓湓蛑饕怯捎诨卷斏喜繋r層重量所造成的拉剪混合破裂。在工作面前方的煤體破壞主要以剪切破壞為主。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層發(fā)生應(yīng)力重分布，在回采空間上方形成壓力拱結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)隨著回采面的向前推進(jìn)在不斷失穩(wěn)及重新形成，在上覆巖層形成一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖2 覆巖塑性區(qū)分布Fig. 2 Distribution of overburden plastic zone

5 采動(dòng)應(yīng)力分布演化特征

圖3 為工作面向前推進(jìn)時(shí)切向應(yīng)力云圖，當(dāng)工作面第一次向前推進(jìn)時(shí)如圖3 （a） 所示，可以看出在巷道周圍出現(xiàn)了不同程度的泄壓，上覆巖層的重量向工作面前后方深部圍巖轉(zhuǎn)移，而在工作面頂?shù)装鍑鷰r出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，說(shuō)明頂?shù)装迦菀装l(fā)生拉破壞，在煤層開(kāi)采的時(shí)候應(yīng)采取相應(yīng)的對(duì)頂?shù)装宓闹ёo(hù)措施。隨著煤層向前推進(jìn)，工作面前方25 m 左右逐漸出現(xiàn)超前集中應(yīng)力，如圖3 （c）～圖3 （d），當(dāng)工作面推進(jìn)25 m 時(shí)，在停采線后方同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中，而工作面前方的集中應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移。隨著工作面的向前推進(jìn)，應(yīng)力集中系數(shù)在逐漸變大，集中應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。通過(guò)切向應(yīng)力云圖可知應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)隨著工作面的推進(jìn)逐漸向深部發(fā)育，使采場(chǎng)上方形成一個(gè)穩(wěn)定的應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

圖3 回采工作面切向應(yīng)力分布Fig. 3 Distribution of tangential stress in mining face

在FLAC3D 中調(diào)出29 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)力（圖4），在工作面推進(jìn)5 m 時(shí)，覆巖受采動(dòng)影響應(yīng)力均低于原巖應(yīng)力，切向應(yīng)力處于減壓區(qū)范圍，但應(yīng)力曲線呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)工作面推進(jìn)10 m 時(shí)，覆巖進(jìn)一步卸壓，切向應(yīng)力仍處于減壓區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)15 m 時(shí)，覆巖卸壓至0，說(shuō)明工作面后方切向應(yīng)力為0 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的基本頂均已垮落，由此可判斷本煤層的初次來(lái)壓步距為15 m 左右，此時(shí)覆巖切向應(yīng)力曲線出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力峰值。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，應(yīng)力為0 的區(qū)域進(jìn)一步變大，曲線應(yīng)力峰值變大且向深部轉(zhuǎn)移。而在未充分采動(dòng)時(shí)，超前支承壓力變化較大，當(dāng)充分采動(dòng)時(shí)，超前支撐壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 覆巖切向應(yīng)力Fig. 4 Tangential stress of overlying rock

6 結(jié) 論

（1） 以杜家溝礦20101 綜采工作面為背景，通過(guò)建立FLAC3D 數(shù)值計(jì)算模型，在工作面推進(jìn)5～30 m 期間得到了覆巖塑性區(qū)分布特征及切向應(yīng)力演化特征，發(fā)現(xiàn)回采面后方基本頂垮落是由于巖層拉剪混合破裂造成的，而在切向應(yīng)力云圖中，一個(gè)穩(wěn)定的“應(yīng)力拱” 隨著工作面推進(jìn)逐漸形成。

（2） 通過(guò)調(diào)出覆巖切應(yīng)力曲線，發(fā)現(xiàn)初次來(lái)壓步距在15 m 左右，在未充分采動(dòng)時(shí)，超前支承壓力變化較大，當(dāng)充分采動(dòng)時(shí)，超前支撐壓力逐漸趨于穩(wěn)定，超前支承壓力基本位于25 m 左右。