綜采工作面采動覆巖破壞形態(tài)與應力演化規(guī)律研究

邸晟鈞，張少彥，曹 勇，薛 磊

(1.山西焦煤集團公司 技術中心， 山西 太原 030024； 2.山西登福康煤業(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，開采強度的加大，工作面推進過程中往往會出現(xiàn)更明顯的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，嚴重威脅著礦井的安全生產。因此，通過對礦井采動覆巖應力場進行研究，為井下支護、回采工程提供理論基礎具有極其重要的意義。

對于采動覆巖應力場分布規(guī)律，國內外學者進行了大量的研究，尹光志等[1]通過自主研發(fā)的多物理場耦合大型模擬實驗系統(tǒng)，采用實驗的方法分析了不同開采條件下上覆巖層應力分布情況，揭示在煤礦開采影響下，覆巖裂隙演化規(guī)律。魯海峰等[2]采用巖體力學相關理論建立煤層開采覆巖應力分布模型，分析在開采過程中上覆巖層應力變化情況，精準預測煤層頂?shù)装迤茐奈恢谩Ｓ诒骩3]采用理論分析、試驗研究以及數(shù)值模擬相結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、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，研究卸壓瓦斯運移特征，為采空區(qū)瓦斯治理方式的優(yōu)選提供基礎。蔣金泉等[6]為了分析斷層對采動應力分布的影響，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力場的影響。樊曉飛[7]采用理論與數(shù)值模擬相結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，進行采動覆巖應力場演化規(guī)律分析，為該工作面采煤及支護工藝的選擇提供理論基礎。

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，采用綜合機械化后退式一次采全高方法進行開采，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、炭質泥巖和細砂巖為主(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參數(shù)見表2.

表2 模型各巖層物理力學參數(shù)表

2 采動覆巖破壞規(guī)律

工作面推進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，當工作面推進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，上覆巖層塑性區(qū)不斷由煤層頂板向上發(fā)育，當工作面推進180 m，塑性區(qū)的破壞范圍已經發(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 采動覆巖應力演化規(guī)律

工作面推進不同距離走向應力分布見圖2. 由圖2可以看出，隨著采掘工程的進行，圍巖應力重新分布，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 工作面推進不同距離走向應力分布圖

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

圖3 工作面推進不同距離沿走向煤層底板應力分布圖

4 采動覆巖卸壓區(qū)形態(tài)分布規(guī)律

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

圖4 工作面推進不同位置距離煤層頂板10 m處巖層應力分布圖

5 結 論

1) 隨著采煤工程的進行，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，當推進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)生明顯的應力集中現(xiàn)象，當工作面推進180 m時，采空區(qū)邊緣煤柱應力峰值達29.0 MPa，較工作面推進30 m時，應力值增加80.1%.

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