不同采厚對采場覆巖移動變形的影響分析

馮海軍，張鶴繽，吳 斌

（1.山西華寧焦煤有限責任公司，山西 臨汾 042100；2.中國冶金地質總局 第三地質勘查院，山西 太原 030002）

1 概況

山西華寧焦煤有限責任公司22109 采煤工作面位于河東煤田中段，地表地形復雜，區域整體地勢呈現南部低、北部高的趨勢。地表松散層主要以黃土和風化的巖石組成。區域構造簡單，總體為單斜構造，走向北東，傾向北西，地層大部分平緩。研究區主采煤層東翼，可采厚度4.20～5.84 m，平均4.90 m，煤層整體賦存穩定，為全區可采煤層，煤層傾角為1°～3°，局部5°～8°。頂底板均以泥巖和砂巖為主，其中頂板泥巖和粉砂巖完整性較好，屬于中等穩定頂板。煤層采用大巷條帶式布置長壁工作面，工作面采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，采空區頂板控制方式為全部垮落法。

2 數值計算模型及參數

此次模擬采用MIDAS GTS NX 有限元數值模擬軟件，該軟件在采空區上覆巖層移動研究應用中已較為成熟。根據研究區地形圖、鉆孔資料、野外勘察資料等，建立三維數值模型。數值模型x、y、z方向的尺寸為487 m×411 m×231 m，模型Y 軸正方向表示工作面沿走向推進方向，工作面模擬設定推進長度為300 m。假設各巖體均質、各向同性，定義荷載為自重作用下的靜荷載。模型采用Mohr-Coulomb 本構模型，四周采用橫向位移約束，底面為固定約束。在滿足軟件對網格單元尺寸劃分要求的情況下，對計算模型單元進行劃分，研究煤層覆巖的應力及位移變化情況。在模擬煤層開采時，設置初始階段，將模型各個方向位移都清零。分別設置2、4、6 m 的開采厚度，研究其在相同工作面長度以及傾角情況下圍巖的應力以及位移變化情況。數值計算模型如圖1 所示。

圖1 三維數值計算模型Fig.1 3D numerical calculation model

模型地層共分為13 層，單元網格長度設置為20 m，模型共劃分了2 807 個節點，3 620 個單元，參照鉆孔取樣的土工試驗結果并結合經驗值，確定計算模型各地層物理力學參數，見表1。

表1 巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3 數值模擬結果及分析

3.1 應力變化分析

為研究不同采厚時上覆巖層的應力變化，對采厚在2、4、6 m 時覆巖應力變化情況進行分析。圖2 和圖3 為沿工作面推進100 m、300 m 處工作面中部的垂直應力云圖。根據工作面推進距離的不同，繪制出工作面中部支承壓力峰值隨開采厚度以及推進距離的變化曲線，如圖4 所示。

圖2 3 種采高下工作面推進100 m 應力云圖Fig.2 Stress nephogram of advancing 100m under three mining heights

圖3 3 種采厚下工作面推進300 m 應力云圖Fig.3 300 m stress nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

從圖2、圖3 可以發現，隨著開采的不斷深入，采空區頂、底板的應力大幅度釋放，且頂板應力釋放區大于底板，應力區呈拱形，采空區左右邊界巖層，受周圍巖體的壓力作用比較明顯，為應力集中區。初步開采階段應力發生顯著變化的地方分布于開采區附近，隨著開挖步驟的進行，應力變化區域逐漸擴大。

由圖2、圖3 可以看出，在推進100 m 和推進300 m 后各工作面支承壓力峰值的變化，2 m 采厚下最大的應力值由9 MPa 逐步上升至14 MPa 左右，4 m 采厚下最大的應力值由13 MPa 逐步上升至20 MPa 左右，6 m 采厚下工作面最大的應力值由12 MPa 逐步上升至18 MPa 左右，并逐漸趨于穩定。采空區頂、底板最大壓應力在開挖的過程中有明顯的應力釋放現象，在煤層頂、底板巖層存在拉應力，此時易發生拉伸破壞。煤層底板也承受著極大的拉應力，且底板的位移向上，能夠判斷出其發生了底鼓現象。從圖中還可以發現，不同的開采厚度，其應力集中區分布范圍并無太大差異，差異主要為應力值的大小。當工作面推進300 m 時，開采厚度為2、4、6 m 時工作面支承壓力峰值分別為13.72、17.78、18.11 MPa。

從圖4 可以看出，在煤層未開采之前，原始應力尚未遭到破壞，工作面中部支承壓力峰值相同。在開采初期，不同開采厚度下支承壓力峰值差別較小。隨著工作面推進距離的增加，支承壓力峰值差別逐漸增加。當工作面推進距離相同時，開采厚度越大，支承壓力峰值越大。

圖4 支承壓力峰值隨開采厚度和推進距離的變化Fig.4 The variation of peak abutment pressure with mining thickness and advancing distance

3.2 位移變化分析

為研究不同采厚時上覆巖層的位移變化，對采厚在2、4、6 m 時覆巖位移變化情況進行分析。圖5、圖6 為當工作面推進長度為100 m、300 m 的垂直位移云圖。

由圖5、圖6 可以看出，隨開采的不斷深入，工作面頂板位移成拱形分布，頂板位移最大，底板位移最小。由圖可看出在推進100 m 和推進300 m 后工作面中部頂板下沉值的變化。2 m 采厚下最大下沉值由14.4 cm 逐步上升至32.8 cm 左右，4 m 采厚下最大下沉值由14.6 cm 逐步上升至33.1 cm 左右，6 m 采厚下工作面最大下沉值由14.7 cm 逐步上升至33.2 cm 左右。當工作面推進300 m 時，開采厚度為2、4、6 m 時工作面中部頂板最大下沉值分別為32.8、33.1、33.2 cm。可見隨著開采厚度以及工作面推進距離的增大，頂板最大位移量不斷增大。

圖5 3 種采厚下工作面推進100 m 位移云圖Fig.5 100 m displacement nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

圖6 3 種采厚下工作面推進300 m 位移云圖Fig.6 300 m displacement nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

4 結論

（1）隨著煤層開采厚度和工作面推進距離的增加，應力值由工作面的中部向兩側呈遞減趨勢，采場上覆巖層支承壓力峰值不斷增大，距離工作面中線越遠，支承壓力峰值越低。工作面兩端是應力集中區域，開采厚度對應力分布的影響表現在，隨開采厚度的增加，采空區附近高應力區的范圍變大，采空區附近所受應力變高。開采厚度增加，拉應力峰值不斷升高，極易發生拉張破壞。

（2）煤層開采后，覆巖產生向下的連續位移，頂板附近的豎向位移最大，底板的豎向位移最小，且位移向上。頂板的下沉量隨開采厚度的不斷增大而增大。