石溝驛礦區綜采工作面采動應力分布規律研究

魏陽

摘要：地下礦產資源開發勢必會打破底層內部原有應力平衡，礦石采出后空區頂底板與兩幫失去支撐后，應力向空區外側轉移集聚。空區臨近巖體失去側向約束，變為二向受力狀態，導致巖體的承載能力的下降，這是導致圍巖破壞的根本原因[1-3]。煤礦由于其開采具有較高的機械化，且回采速度快，導致采動應力變化更加劇烈，掌握與工程地質、采掘工藝相匹配的地壓釋放、轉移規律對于確保采準工程穩定具有重要工程意義。

Abstract： The development of underground mineral resources is bound to break the original stress balance in the bottom layer. After the ore is mined， the top and bottom plates and the two gangs lose their support， and the stress transfers to the outside of the empty area. The adjacent rock mass in the empty area loses lateral restraint and becomes a two-way force state， which leads to a decrease in the bearing capacity of the rock mass， which is the root cause of surrounding rock destruction[1-3]. Due to the high mechanization of mining and the rapid recovery speed of coal mines， the mining stress changes more drastically. Mastering the rules of ground pressure release and transfer matching with engineering geology and mining technology is of great engineering significance to ensure the stability of mining projects.

關鍵詞：采礦工程;采動應力;數值模擬;地壓

Key words： mining engineering;mining stress;numerical simulation;ground pressure

中圖分類號：TD323? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）20-0148-04

1? 石溝驛礦區煤層地質簡介

石溝驛礦區現有石溝驛煤礦和高閘煤礦兩對礦井，該礦區位于寧夏區，在靈武市白土崗鄉境內，礦區共見煤6層（2、未、3、4、5、6煤），其中6煤為主采煤層，煤層厚2.23～2.95m，平均厚2.51m，為中厚煤層，結構簡單，其中下部有一穩定夾矸，煤類為長焰煤，整個礦區煤層均為可采穩定煤層。

2? 數值模型建立

2.1 模型尺寸與邊界條件

本文以石溝驛煤礦S136綜采為工程背景，采用FLAC3D建立與實際工程相匹配的數值模型，研究開采期間的地壓活動規律。模型高度357m，沿傾斜寬720m，沿走向長1000m。取平均煤層傾角16.5°，煤層厚度2.5m。三維模型一共包含276900個結點，大約有255000個三維單元，三維計算模型網格圖如圖1所示，模型底面限制垂直移動，模型側面限制水平移動，模型上部至達地表。

參考寧夏石溝驛煤礦S136煤層埋藏深度（H=200～300m）和平均巖體容重（γ=2300kg/m3）推算，分析隨著深度線性變化，礦區內垂直應力的相應變化。構造應力的影響不容忽視，以垂直應力為基準，沿煤層傾向上的水平主應力應為其數值的1.2倍（σx=-2.76～5.28MPa），沿走向方向的水平應力應為該數值的0.8倍（σy=-1.84～5.52MPa）。

2.2 力學模型與參數

參考相關資料可知，在載荷達到屈服極限的情況下，之后巖體，在塑性流動期間即使發生變形，也會保持一定的殘余強度?；诖耍捎美硐霃椝苄员緲嬆Ｐ瓦M行計算，即莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則判斷巖體的破壞：

■? （1）

式中，c表示粘結力;φ表示摩擦角;σ1、σ3代表最大和最小主應力。在充分考慮各參數及試驗數據的基礎上，模擬計算采用的巖體力學，同時進行了適當折減，具體參數見表1。

采空區圍巖垮落后，所形成的材料具有一定的特點，即不可逆壓縮變形和宏觀連續，在各向同性壓力作用下，垮落矸石會形成永久性體積縮小，同時出現應變硬化問題。為解釋這種行為，可用體積硬化模型來進行描述。綜采期間，采空區的矸石會隨著作業的不斷推進而隨之冒落。久而久之，在覆巖作用下矸石會逐步被壓實，隨著時間t的增加，泊松比υ、彈性模量E、材料的密度ρ都會相應增加。參考相關資料發現，可用以下經驗公式表述v、E和ρ的變化規律：

■（2）

■（3）

■? （4）

式中， 時間t是以年為單位的。分析式（2）～（4）可知， 隨著時間增加，ρ、E和v會逐漸增長，直至達到恒值。

2.3 計算過程

對于石溝驛S136工作面煤層來說，影響采礦工程的力學特點的因素有很多，比如開采過程、開采歷史及巖體力學行為等。應依照步驟進行如下計算，如此方能正確模擬出該煤層開采引起采場圍巖應力分布情況。

①給定邊界與位移條件下模型的初始狀態計算;

②模擬開掘S136回風巷和運輸巷;

③分步模擬開采S136工作面煤層。

3? 綜采煤層應力場特征

3.1 綜采煤層應力分布

基于上述數值模型，按照回采進度進行回采模擬，得出S136綜采面煤層內的應力集中程度和分布形式隨工作面位置變化的采動應力分布規律。

總體上，工作面回風巷以上，其分布范圍相對較窄，且應力較低;運輸巷應力最高可達22MPa，特點是應力高且分布廣。如圖2所示，工作面前方支承壓力峰值作用位置走向上距離工作面約5.3m，最大垂直應力值是原始應力的2.8倍，約17.6MPa。

■

分析圖3～圖5可知，應力最集中的部位是工作面順槽兩側5m處。支承壓力最大的部位是采面下部，采面中部最小，采面上部的支承壓力處于兩者之間。

■

在工作面后方，采空區內部是低應力區，距采面9.5m范圍內，垂直應力的變化較小，且隨著采面距離的不斷增加，垂直應力會保持在1.5MPa的水平。隨著工作面遠離，側向煤體邊緣壓力峰值的變化也會越來越小。

3.2 綜采煤層破壞區分布

受到諸多客觀因素的影響工作面煤體邊緣會發生一定變化，比如應力集中作用及工作面開采等。綜采面煤層周圍破壞區分布圖如圖7～圖14所示。工作面前方3.7m范圍內的煤體，均為破壞狀態，其主要破壞形式為剪切破壞。

4? 采場圍巖力學場特征

4.1 沿工作面走向圍巖應力場特征

沿工作面走向方向，在工作面前方5.3m范圍內，工作面中部巖體、煤壁的應力均較低，最大主應力峰值發生在煤壁前方5.3m處，該數值最高可達18.3MPa。

綜合多項參數發現，應力的峰值通常在工作面前方相同的位置。工作面前方煤層和頂板巖層剪切破壞問題時有發生，究其原因主要是剪應力變化梯度大，未實現合理控制。

4.2 沿工作面走向圍巖破壞場特征

工作面直接頂、煤層和煤壁前方幾乎所有的圍巖都發生屈服破壞。與工作面上部圍巖相比，工作面中下部和工作面前方的破壞程度更為嚴重。由于工作面前壁上方直接頂板在支護壓力作用下發生壓剪破壞，塑性區寬度為6m。老頂巖體沿走向破壞位置在工作面中部支架尾梁上方，對于工作面來說，老頂斷裂和來壓對其的影響并不大。

從工作面不同部位圍巖的應變狀態可以看出，工作面前方煤壁的剪切應變率和體積應變率很高，不同于正常介質和堅硬煤層，工作面后方放頂煤區的剪切應變率和體積應變率急劇增加，其中上部巖體的體積膨脹較小于下部巖層。

4.3 沿工作面走向圍巖位移場特征

綜采工作面支架上方巖體和工作面煤壁具有較大的水平位移，尤其是在工作面煤壁附近水平位移量達到最大，最大位移量為21.7mm。該部位極易造成煤壁片幫和端頭冒頂事故，是采煤工藝和支架設計過程中需要維護的重點部位。

在工作面附近，由于上下巷的埋深不同，因此靠近上巷的工作面上方巖體豎向位移小于靠近下巷的工作面上方巖體豎向位移。冒落矸石運移會一定程度上影響工作面中部的上方巖層的垂直位移，其明顯大于工作面兩側的上方巖層（圖6）。

4.4 沿工作面傾向圍巖應力場特征

就沿煤層傾斜剖面而言，隨著距采面距離的不同變化，采場圍巖的應力分布也會發生相應變化。在綜采面上部覆巖中存在應力拱結構，拱高約51m，上拱腳最大主應力為16MPa，位于沿煤層傾向工作面上部煤層和直接頂中;下拱腳最大主應力為18MPa，位于沿煤層傾向工作面下端煤層和附近底板巖層中。層傾斜剖面上工作面煤層在煤均處于低應力狀態，靠近下巷的應力殼的應力值由于埋深的原因大于上巷附近的應力值。在距工作面前方5m處，應力殼內部的低壓力區范圍減小，在距工作面前方10m處，覆巖中應力拱結構消失。

從工作面前方5m處沿煤層傾斜剖面的垂直應力、水平應力和剪應力分布等值線圖可以看出，在工作面的上回風巷、下運輸巷附近聚集很高的垂直應力、水平應力和剪應力，這是造成上回風巷、下運輸巷附近圍巖破壞和變形的重要原因。

4.5 沿工作面傾向圍巖破壞場特征

隨著接近工作面，傾斜剖面上巖體的破壞區從不斷向上擴展，在煤壁前方5～10m范圍，破壞區主要集中在工作面上方巖體中，底板有一厚約4m的剪切破壞帶，到工作面上方，破壞區擴展至煤層上方56m的范圍，是煤層厚度的20倍左右，大致與應力殼的范圍相同。

4.6 沿工作面傾向圍巖位移場特征

在沿煤層傾斜剖面上，工作面上方覆巖的變形主要表現為垂直于工作面的下沉運動，底板巖層表現為移向工作面空間的底鼓?？傮w上，隨著距離工作面的接近，圍巖變形量不斷加劇，在工作面處，煤層上方巖體最大下沉量為69.4mm。在本工作面超前劇烈影響范圍內，工作面中下部覆巖在垂直方向的下沉運動明顯增大，但最大下沉量依然發生在工作面中部偏下處。

5? 采場巷道力學場特征

5.1 采場巷道應力場特征

圖7～圖14給出綜采工作面上運輸巷兩幫及頂底板的應力變化過程。結果表明：工作面回風巷兩幫及頂底板煤巖中應力最突出的特點是：兩幫巖層中的水平應力在離工作面很遠處就具有較高的應力值，隨著工作面距離的縮小緩慢升高，在工作面前方5m左右達到峰值，回風巷最大應力出現在下幫，最大水平應力為3.5MPa，最大垂直位移為9.3MPa;運輸巷兩幫水平應力相近，最大水平應力約為12.3MPa，最大垂直應力出現在下幫，大小為9.3MPa。因此，在運輸巷下幫以及靠近下幫側的頂板是破壞易發生區，應加強支護。

5.2 綜采面順槽圍巖位移場特征

巷道圍巖變形是圍巖內應力釋放和受工作面采動影響綜合作用的結果。同時也有因環境因素變化（地下水的滲流等）使煤巖物理力學性質改變而產生的效應。圖15～圖18是在準靜態力學條件下距工作面不同距離處回風巷和運輸巷圍巖垂直位移場。上述變形數值在工作面出最大，并隨著與工作面距離的增大逐漸減小，距工作面100m左右趨于穩定。

回風巷頂板與兩幫變形顯著高于運輸巷（表2），通過回歸得到S136綜采面上巷道圍巖相對位移量與距工作面距離的關系表達式（5）～式（8）：

回風巷兩幫：

■（5）

回風巷頂底板：

■ （6）

運輸巷兩幫：

■ （7）

運輸巷頂底板：

■（8）

6? 結論

本文以石溝驛煤礦S136綜采工作面為工程背景，采用FLAC3D建立與實際工程相匹配的數值模型，對綜采過程中煤層、圍巖內部壓力的釋放、轉移規律進行了研究，確定了石溝驛礦區綜采工作面運輸巷、回風巷關鍵部位的應力集聚程度以及變形發展規律，為石溝驛礦區的煤礦采準支護與安全設計提供了關鍵依據，對石溝驛礦區的煤礦開采具有重要的指導借鑒作用。

參考文獻：

[1]蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[2]寧煤集團石溝驛煤礦S136工作面回采作業規程.

[3]王樹仁，王金安，戴涌.大傾角厚煤層綜放開采頂煤移動規律與破壞機理的離散元分析[J].北京科技大學學報，2005，27（1）： 5-8.