堅硬覆巖頂板內部能量動態變化規律研究＊

何化棟，龐 濤，韓強強，張書劍，朱譚譚

（中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州221008）

1 概述

隨著煤炭開采深度的不斷增加，巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害越發受到人們的關注〔1－3〕，2014年3月27日，千秋煤礦21032回風上山發生沖擊地壓造成6人遇難；2013年3月15日，黑龍江鶴崗煤礦沖擊地壓使4名工人失去生命；2014年3月21日，平煤神馬集團長虹礦業公司1－21010機巷工作面發生煤與瓦斯突出事故，造成6人遇難，7人被困；類似事故在四川、山西等地也時常發生，給煤礦的安全生產帶來了巨大影響。

研究成果表明，在巖體形成及后期地質作用下，煤巖體內部集聚著大量的彈性能，在掘巷、回采等擾動下，上述變性能突然釋放誘發不同類型的動力災害〔4－6〕。彈性能的大小直接決定著動力災害的影響程度，潘衛東等〔7〕通過理論分析和現場實測對宣東煤礦208工作面的動力災害危險性進行了分析，發現采空區上覆堅硬頂板內部變形能隨煤層開采而越發集聚，然而，筆者經過仔細閱讀，發現作者在頂板巖體彈性變形能的具體量值及分布位置方面尚有一定的研究空間，故本文在文獻〔7〕的基礎上，利用FLAC3D軟件對回采過程中208工作面堅硬頂板中彈性能的分布規律進行定量化研究，對其取得的成果進一步豐富。

2 模型的建立

2.1 工程概況

宣東煤礦隸屬于冀中能源集團，其208工作面位于III3煤層中，平均厚度3.7m，偽頂為0.3m左右的炭質泥巖，在煤層回采后便斷裂脫落，而直接頂和老頂分別為極其堅硬的細砂巖和輝綠巖，前者厚度在30m以上，而后者達到200m，詳細概況文獻〔7－8〕已交代的十分清楚，考慮到篇幅有限，在此不再詳述，圍巖力學參數見表1。

表1 圍巖力學參數

2.2 FLAC3D模型

由于采場范圍巨大，在FLAC3D中將其全部建出將給計算工作及其精度都帶來巨大困難。因此，本文在此對其進行簡化，忽略相鄰工作面回采對208面產生的影響，則工作面沿傾向中心線對稱，故只需建立工作面一半的模型，沿X軸布置，工作面寬75m；在走向方向，取200m回采距離；Z軸原點在煤層底面，老頂厚度取70m，底板取50m，考慮到應力分布，X、Y、Z三個方向上模型尺寸分別為120 m、300m和154m，采用漸變網格劃分單元，共劃分126000個單元，133988個節點（見圖1）。

圖1 208工作面FLAC3D模型

本構模型選用摩爾－庫倫模型，模型四周及底面限制法相位移，上面自由，根據文獻〔7〕，模型X、Y方向水平應力均為60MPa，垂直應力為32MPa，模型力學參數見表1。

為了分析回采對頂板彈性變形能的影響，沿Y軸負方向對模型進行分步回采，每步回采距離均為40m，且計算平衡后分步保存，首次回采距模型邊界48m，共進行5步回采計算。

3 頂板能量動態變化規律分析

3.1 能量模擬的實現

巖體中的能量主要以彈性變形能的形式存在，根據摩爾－庫倫準則，任何一個單元體均在三軸應力作用下保持穩定，其內部能量可用式（1）表示〔9〕：

式中：σ1、σ2和σ3為單元體的第一、第二和第三主應力；ν為泊松比；E0為彈性模量。

回采結束后，利用FLAC3D自動的fish語言編寫函數，計算各單元體的彈性變形能，并通過z＿extra（p＿z，ind）函數建立模型的附加能量參數，利用tecplot軟件繪制能量分布云圖。

3.2 回采過程中頂板能量分布整體分析

眾所周知，采空區頂板的垮落最先在中部發生，故在此主要分析工作面中部頂板能量的分布規律，不同回采距離下，x＝2m平面的能量分布云見圖2。

圖2 不同回采距離下工作面中部能量分布剖面（單位：kJ，向右回采）

由圖2可知：

（1）頂板能量主要聚集在細砂巖直接頂中。煤層開采40m后，采場頂板逐漸下沉，淺部巖層壓力降低，其內部能量逐漸釋放，釋放范圍呈“橢圓形”，直接頂能量為80kJ左右，而老頂能量約為40kJ，此時煤層的回采尚未對老頂造成影響，能量主要賦存在直接頂中。隨著回采距離的增加，直接頂能量釋放范圍逐漸擴展，但老頂能量開始增加，回采距離達到160m時，輝綠巖內部能量增加到50kJ左右，增加了25%，但其總能量仍然較直接頂小。

（2）煤體等軟弱巖層吸能能力較強。在未受采動影響的煤體中，能量量值約為40kJ，僅為直接頂的1／2，究其原因，主要是由于相比于細砂巖等堅硬頂板，煤層疏松、裂隙發育、彈性模量較小，應力作用下煤層變形量遠大于堅硬的巖層，緩解了能量的集聚，這也解釋了注水、超前欲裂等防治沖擊地壓等動力災害措施的作用機理〔10－12〕，也進一步驗證了文獻〔7〕4.2節的合理性。

（3）超前支持壓力影響范圍內頂板彈性應變能升降明顯。煤層開采后，原本作用在采空區煤體上的應力被轉移到工作面前方煤體，同時頂板彎曲下沉，在工作面前方一定范圍內頂板巖體內部應力急劇上升，其內部能量隨之集聚，距工作面較遠時，采動頂板應力分布影響程度逐漸減弱，其內部能量逐漸降低，在圖2（a）～圖2（d）中，可以發現，在工作面前方2m范圍內，能量逐漸升高，而超過這個范圍，能量又開始下降，直至保持穩定。

3.3 回采過程中頂板能量分布詳細分析

根據3.2節可知，煤層回采對直接頂內部彈性變形能的影響較大，為了更加準確掌握上述影響程度，提取40～200m五種不同回采距離對應的頂板不同位置巖體的能量量值，繪制其隨工作面里程之間的變化關系（見圖3）。

由圖3可知：

（1）采動影響下距頂板淺部巖層最大能量與開采距離呈線性關系

在圖3（a）中，煤層回采后，直接頂內部能量在距工作面2m達到最大，回采距離40m、80m、120m、160m和200m時，距頂板表面1.5m平面中巖層峰值能量分別為117.59kJ、147.29kJ、173.05kJ、200.98kJ和227.46kJ，對其進行擬合，可得到式（2），可見，隨著工作面的推進，頂板淺部巖層能量峰值隨開采距離呈線性增長。

（2）隨著深度的增加，回采對頂板能量分布的影響程度越小

分析圖3中四幅小圖可以看出，隨著監測層位的不斷上升，煤層開采后，在超前支承壓力的作用下，頂板能量仍然增加，但增長幅度逐漸減小，以回采距離為200m為例，距頂板表面1.5m、10m、20m和28m時，巖體峰值能量分別為227.46kJ、137.37kJ、114.67kJ和113.60kJ，呈三次函數下降，其它開采距離下不同層位頂板峰值能量均表現出類似規律。

圖3 不同直接頂位置巖體能量與開采之間的關系

3.4 采空區跨中頂板能量分布研究

對于堅硬覆巖頂板，由于其頂板強度高，完整性好，煤層回采初期其初次垮落步距較軟弱頂板大，而一旦發生垮落，其產生的礦壓也是十分顯著的。沿工作面走向，采空區上部頂板可以簡化為固支梁，可見其自身破壞應從跨中開始，這個部位較為危險，故在此對不同采空區長度下跨中頂板的能量分布進行研究，為初次垮落引發災害的規避提供依據。五種采空區跨中頂板的能量分布規律見圖4。

圖4 采空區跨中頂板能量分布規律

由圖4可知：

（1）回采距離80～120m范圍內最危險。回采距離為40m時，從頂板下表面向上，巖體能量先增加后降低，最大值達到117.87kJ，在距頂板表面20m左右形成了較為集聚的彈性變形能，在圖2（a）中同樣能體現這一點，隨著回采距離的增加，上述集聚程度有所降低，但變化較為緩和，當回采距離從80m增加到120m過程中，能量集聚區域突然消失，說明此過程中整個直接頂發生了首次垮落，極易發生沖擊地壓現象，應提前采取相關措施加以防護。

（2）首次垮落后，老頂內部能量開始上升。回采距離不超過80m時，老頂內部能量基本保持不變，當回采距離不小于120m時，隨著深度的增加，老頂輝綠巖中集聚的能力開始上升，近似呈線性增加，且隨著煤炭的不斷被采出，上述能量的增幅越明顯，當能量集聚到一定程度，老頂開始發生首次垮落，且該次垮落對煤礦開采造成的影響程度應遠超過直接頂的初次垮落。

4 結語

1）采動影響前，煤層、直接頂和老頂的內部能量分別約為40kJ、80kJ和40kJ，能量主要集中在巖性為細砂巖的直接頂中，煤層開采后，淺層直接頂內部能量逐漸釋放，釋放范圍呈“橢圓形”，老頂能量開始增加，回采距離達到160m時，輝綠巖內部能量增加到50kJ左右，較回采前增加了25%。

2）煤層開采后，在超前支承壓力的作用下，工作面前方2m左右淺層直接頂內部產生能量集聚現象，峰值能量隨開采距離的增加呈線性增長，E＝0.6836△l＋91.245（R2＝0.9996），隨著監測層位的上升，上述增幅變緩，采空區跨度不變時，頂板巖體峰值能量隨深度的增加呈三次函數降低。

3）沿工作面走向，采空區跨度在80m以前，距頂板表面20m左右的直接頂存在能量聚集區，當回采跨度從80 m增加到120m過程中，上訴區域突然消失，直接頂發生首次垮落，該階段最為危險，極易發生沖擊地壓現象，應采取相應的防護措施，之后隨煤層的采出，老頂內部能量開始增加。

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