王家?guī)X煤礦綜放開采覆巖應(yīng)力場形成及演化特征

＊秦奎元

（中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦 山西 043300）

1.緒論

中國既是煤炭消費(fèi)大國，也是煤炭進(jìn)口大國，煤炭在國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和長遠(yuǎn)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。增產(chǎn)保供是緩解煤炭供需矛盾最有效的途徑之一，提高煤炭采出率是不可忽視的重要決策[1]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備自動化、設(shè)備智能化等方面不斷發(fā)展，我國煤炭開采技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段，大采高綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的應(yīng)用對提高煤炭采出率和管理水平極為重要[2]。超高工作面具有回采率高、安全性高、掘進(jìn)率低等優(yōu)點(diǎn)，在我國礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

但我國礦區(qū)也賦存有大量開采價值大的厚煤層，開采難度較大，主要體現(xiàn)在采場地下空間大、頂板控制難度增大、超高工作面高煤壁破壞嚴(yán)重等方面。采高越大，煤壁塑性破壞范圍越大，煤壁破壞越嚴(yán)重。落煤容易破碎刮板輸送機(jī)，對操作人員造成傷害。同時，也會誘發(fā)工作面局部冒頂，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員和設(shè)備安全[3]。國內(nèi)外大量學(xué)者對綜采覆巖應(yīng)力特征及其演化特征做出了大量研究，楊柳[4]提出在自重和頂板壓力的影響下，煤壁主要以張拉破壞和剪切破壞的形式存在，并給出了基于頂板和煤壁控制的支架工作阻力確定方法。郭小將[5]通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層理發(fā)育，且煤層中存在較多弱面時，硬度系數(shù)較低的煤層更易導(dǎo)致片幫，并提出了超高片幫防治柔性加固技術(shù)。

隨著開采范圍的變化，工作面覆巖運(yùn)動特征和采動應(yīng)力分布不斷變化，煤層采場圍巖控制準(zhǔn)則也應(yīng)隨著工作面推進(jìn)階段的變化而適當(dāng)變化。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，基于王家?guī)X煤礦121309工作面實(shí)際情況，分析了其掘進(jìn)過程中采動應(yīng)力及覆巖位移規(guī)律，得到了煤層工作面覆巖運(yùn)動規(guī)律及采動應(yīng)力動態(tài)演化過程。

2.應(yīng)力狀態(tài)描述及數(shù)值模擬方案

根據(jù)王家?guī)X煤礦2#主采煤層121309工作面覆巖條件建立FLAC3D數(shù)值模型，對綜放開采中煤體內(nèi)三個主應(yīng)力大小及方向演化規(guī)律展開研究。

本文構(gòu)建的FLAC3D模型的單元格數(shù)為1.42×106，設(shè)置了9.66×105個節(jié)點(diǎn)數(shù)。該模型長×寬×高=1450m×320m×（280～430）m。為了保證模擬的真實(shí)性，將121309工作面破碎的覆巖在模擬過程中設(shè)置為空網(wǎng)格，保證在模擬過程中呈現(xiàn)出覆巖垮落的過程。煤巖物理力學(xué)參數(shù)按表1賦值。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.綜放開采覆巖應(yīng)力場形成及演化特征

(1)不同黃土溝壑地貌下的原巖應(yīng)力場特征

黃土溝壑地貌引起的原巖應(yīng)力場變化是在一定深度范圍內(nèi)的。同時，在溝壑地貌的溝底處的應(yīng)力集中現(xiàn)象和深度成反比。覆巖原巖的應(yīng)力和覆巖的自身重力在黃土溝壑地貌的作用下呈現(xiàn)出變化不一致的現(xiàn)象，其中原巖應(yīng)力的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要集中在溝壑的底部。為研究單一溝壑影響下的原巖應(yīng)力分布規(guī)律，現(xiàn)針對工作面推進(jìn)方向上600～900m單一溝壑區(qū)域進(jìn)行研究。此處地面最低標(biāo)高為835m，最小覆巖厚度是40m。在該厚度的巖層上，垂直應(yīng)力最小值為1.59MPa，垂直應(yīng)力最大值為3.05MPa，最大垂直應(yīng)力值分布大多位于溝谷底部，說明該區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；溝谷坡頂則與最小主應(yīng)力區(qū)域相關(guān)聯(lián)，說明坡頂應(yīng)力值較低。綜合對比深度與其關(guān)聯(lián)性的特征發(fā)現(xiàn)，深度增加，關(guān)聯(lián)性越弱。綜上所述，黃土溝壑地貌中溝谷坡腳的位置其原巖的垂直應(yīng)力較大，不同埋深下覆巖的自重力和垂直應(yīng)力的比值為η，則不同深度覆巖的η值可以表征溝谷地形對煤巖層原巖應(yīng)力場的影響程度。η可用式（1）表達(dá)。

式中，δg為自重應(yīng)力，δg=γh，單位MPa；δ0為巖層原巖應(yīng)力，單位MPa。

結(jié)合圖1，可知η與巖層距溝谷溝底深度h之間的關(guān)系為：

圖1 不同深度黃土溝壑地表下覆巖原巖應(yīng)力與自重應(yīng)力變化圖

同時，一般將取高于原巖應(yīng)力的5%處作為超前支承壓力的分界處，則可得到：

式中，δg為自重應(yīng)力，δg=γh，單位MPa；γ為上覆巖層平均容重；h為溝底處巖層深度；δa為超前支承壓力，單位MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，K=2～4，此處取2。

當(dāng)η值大于2時，為黃土溝壑地貌影響劇烈區(qū)，當(dāng)η值介于1.05與2之間時，為黃土溝壑地貌影響明顯區(qū)，當(dāng)η值小于1.05時，為黃土溝壑地貌影響微弱區(qū)。如圖2所示，由于王家?guī)X礦121309工作面煤層埋藏深度均大于109.5m，可認(rèn)為該工作面無影響劇烈區(qū)，只在30～781m范圍內(nèi)為影響明顯區(qū)。

圖2 121309工作面地表黃土溝壑影響區(qū)域劃分

(2)黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖應(yīng)力動態(tài)變化基本規(guī)律

為了模擬不同工作面推進(jìn)距離下的應(yīng)力變化規(guī)律，本文設(shè)計了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)采用平面相似模型試驗(yàn)臺的尺寸為5.0m×3.0m×0.2m（長×高×厚）。本次實(shí)驗(yàn)采用DIC三維光學(xué)散斑系統(tǒng)、天遠(yuǎn)DigiMetric攝影測量系統(tǒng)對開采后覆巖位移進(jìn)行觀測，采用TS3862靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)力觀測。

由相似材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其中黃土溝壑地貌下工作面未開采時覆巖原巖應(yīng)力分布測線1、2、3中應(yīng)力值隨著埋藏深度的增加而增加（圖3）。但就測線內(nèi)部應(yīng)力分析而言，其應(yīng)力均為“凸函數(shù)”分布規(guī)律，應(yīng)力在“溝底”與“溝頂”存在較大值，由于地表賦存有高程變化的黃土，對垂直原巖應(yīng)力分布影響較大；測點(diǎn)1、14及24位于“溝底”段，此時應(yīng)力集中程度較大，測點(diǎn)10、23及33位于“溝頂”段，此時應(yīng)力集中明顯。相似模擬結(jié)果與FLAC3D數(shù)值計算結(jié)果相對應(yīng)，“溝底”出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 黃土溝壑地貌下工作面未開采時覆巖原巖應(yīng)力分布

由圖4可知，工作面推進(jìn)不同距離時測線2中各測點(diǎn)的應(yīng)力值，在工作面開切眼完成時，回采工作面覆巖應(yīng)力變化較小，測線2中各測點(diǎn)的應(yīng)力值變化不大，可見開切眼對覆巖應(yīng)力的影響較小。工作面回采40m時，測點(diǎn)14位于采空區(qū)上方，應(yīng)力值減少，可見測點(diǎn)14位于采空區(qū)上方的卸壓區(qū)，測點(diǎn)15位于工作面前方26m，測點(diǎn)16位于工作面前方91m，兩點(diǎn)應(yīng)力均高于原巖應(yīng)力值，可見測點(diǎn)15、16處于超前支承壓力影響范圍，而測點(diǎn)17、18、19、20、21、22、23應(yīng)力均與原巖應(yīng)力相等，可見未受工作面采動擾動，同時，測點(diǎn)14應(yīng)力迅速降低，可見此處覆巖形成穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)，覆巖運(yùn)移趨于平緩；隨著工作面的不斷推進(jìn)，各個測點(diǎn)受到工作面超前壓力的影響，當(dāng)工作面回采至750m，即工作面推進(jìn)完畢時，測線2上各個測點(diǎn)應(yīng)力均大幅減少，可見在測線2上方覆巖中，形成了穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

圖4 工作面推進(jìn)不同距離時測線2應(yīng)力值曲線圖

(3)黃土溝壑下采動應(yīng)力場演化特征

根據(jù)建立的FLAC3D三維數(shù)值模型，為驗(yàn)證相似材料模擬的計算結(jié)果，以相似材料模擬選取的研究段進(jìn)行研究，分析了121309工作面在掘進(jìn)350～1100m時的覆巖應(yīng)力場、位移和塑性區(qū)的變化。

121309工作面在開切眼后，周圍覆巖的應(yīng)力場遭到破壞，應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致巖體需要重新構(gòu)建應(yīng)力平衡，從而煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，此時煤體的最大垂直應(yīng)力是原巖最大應(yīng)力的1.99倍。因?yàn)殚_切眼的尺寸較小，不會導(dǎo)致覆巖和覆巖上方的土層出現(xiàn)崩塌下沉的現(xiàn)象，僅在開切眼附近產(chǎn)生輕微崩塌下沉，同時在開切眼2.5m的范圍內(nèi)會導(dǎo)致煤體出現(xiàn)塑性破壞，且破壞深度為3.2m。

綜上所述，覆巖破壞后會在采空區(qū)產(chǎn)生下沉的現(xiàn)象，采空區(qū)上方會出現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的“拱形”“馬鞍形”的卸壓區(qū)。

4.結(jié)論

（1）分析了不同黃土溝壑地貌下的原巖應(yīng)力場特征，通過數(shù)值模擬得出，最大垂直應(yīng)力值分布大多位于溝谷底部，說明該區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；而溝谷坡頂則與最小主應(yīng)力區(qū)域相關(guān)聯(lián)，且深度增加，關(guān)聯(lián)性越弱。

（2）黃土溝壑地貌對覆巖的應(yīng)力場、破壞位移等均存在明顯的影響，表現(xiàn)為覆巖破壞后會在采空區(qū)產(chǎn)生下沉的現(xiàn)象，采空區(qū)上方會出現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的“拱形”“馬鞍形”的卸壓區(qū)。