淺埋厚基巖煤層工作面圍巖應力演化及覆巖破壞規(guī)律研究*

舒仕海，任建軍，王維建，阮毅，柳光磊

(興義民族師范學院， 貴州 興義市 562400)

0 引言

為了持續(xù)推進我國“一帶一路”倡議，煤炭作為主要能源必不可少。煤層被開采，圍巖應力重新分布，覆巖破壞，積聚的彈性勢能可能會導致煤巖動力災害現(xiàn)象[1-4]。目前，數(shù)值模擬軟件、相似模擬實驗等方法廣泛應用于研究圍巖應力分布及覆巖破壞規(guī)律。凌濤等利用相似模擬、理論計算及現(xiàn)場實測的方法揭示了巷道穿越采空區(qū)時采場覆巖破壞規(guī)律并提出支護對策[5]；李俊營運用 FLAC3D以應力變化為切入點，研究了21172工作面超前支撐壓力、圍巖應力、圍巖活動規(guī)律[6]；付玉凱利用現(xiàn)場實測和FLAC3D數(shù)值軟件研究了采動應力影響下巷道圍巖變形破壞機理及注漿加固技術[7]；謝廣祥與王磊運用FLAC3D數(shù)值軟件結合現(xiàn)場實測，對采場圍巖應力殼力學特征的巖性效應進行了分析和研究[8]；馮友良將數(shù)值模擬與理論分析計算相結合，得出了煤巷圍巖應力分布特征及幫部破壞機理[9]；劉鵬等運用FLAC3D對基于斷層弱化法特大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性進行了研究[10]；劉兵運用FLAC3D對煤層頂?shù)装宓乃苄云茐倪M行了深入的研究[11]；劉樹新等運用FLAC3D研究分析了常村煤礦2101工作面覆巖破壞規(guī)律[12]；2015年，Zhao Xiaodong等首次提出了GIS與FLAC3D耦合計算礦井長壁工作面覆巖破壞空間分布的集成方法[13]；李新華等利用工作面礦壓觀測和 UDEC數(shù)值模擬，分析了含水層下“三軟”煤層覆巖破壞發(fā)展與礦壓顯現(xiàn)的關系[14]；劉偉韜等通過現(xiàn)場實測驗證了數(shù)值模擬關于覆巖破壞高度結果的準確性及優(yōu)越性[15]；來興平等運用相似模擬實驗與聲發(fā)射監(jiān)測結合的方法揭示了采動覆巖破壞演化特征[16]；張陽等通過建立上覆巖層移動變形力學模型和推導巖體內位移、應變與應力的數(shù)學表達式，揭示了覆巖變形破壞的規(guī)律[17]。筆者結合FLAC3D數(shù)值模擬、相似模擬和理論計算，對喀斯特地貌構造條件下的淺埋厚基巖煤層工作面圍巖應力演化及覆巖破壞規(guī)律進行研究，為后續(xù)開采和類似地質條件下的煤礦井下作業(yè)提供參考。

1 數(shù)值模擬實驗

1.1 模型設計及參數(shù)選取

通過收集和整理貴州某煤礦綜采工作面110302的地質資料，得出工作面走向長度為452.5 m，傾向長度為120～168 m，煤層傾角為16°，1#煤層平均厚度約為1.4 m，3#煤層平均厚度約為2.3 m，雖然在1#煤層和3#煤層之間有0.7 m的泥巖或粉砂質泥巖的夾矸，但為了使得經(jīng)濟效益最大化，避免資源浪費，工作面仍實行1#、3#煤層合并開采。布置的工作面距離地表約為145.78 m，采場上覆基巖的厚度為 65～83.18 m，屬于典型的淺埋厚基巖煤層。根據(jù)數(shù)值模擬軟件計算的特點，需要對模型消除邊界效應，在工作面走向方向上，兩端各留100 m邊界寬度，在傾向方向上兩端各留100 m邊界寬度。模型長×寬×高為660×360×269.89。模型一共有115 500個單元，并有122 976個節(jié)點，模型頂面加載垂直地應力 3.201 MPa。計算模型如圖 1所示。依托實驗室煤巖參數(shù)測試結果，利用各參數(shù)之間的關系式進行轉換。修正后的各煤、巖層力學參數(shù)見表1。

圖1 計算模型

表1 各煤、巖層力學參數(shù)

1.2 采場圍巖應力演化規(guī)律分析

由于煤層被開采，采場圍巖的原始應力平衡遭到破壞，使得采場圍巖應力在一定范圍內發(fā)生動態(tài)變化，工作面前方煤巖體應力升高，采空區(qū)位置應力降低，煤壁上方一定范圍內出現(xiàn)垂直應力集中區(qū)和應力卸壓區(qū)。為了掌握頂板巖層應力演化規(guī)律，在數(shù)值模擬實驗中，在煤層頂板垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶中各布置了一組應力觀測線，以沿工作面推進不同距離時3條觀測線各測點應力值為縱坐標，測點距工作面的長度為橫坐標，繪制垂直應力曲線圖，如圖2所示。

以開切眼為起點，當工作面推進長度為 45 m時，在煤壁前方20 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值；當距離開切眼85 m時，在煤壁前方17 m左右出現(xiàn)超前支承壓力峰值。當工作面推進至 125 m時，在煤壁前方15 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值。當距離開切眼165 m時，在煤壁前方13 m左右的位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值。

在采場前方和采空區(qū)范圍內，根據(jù)煤巖體上方支承壓力分布得出：測線距離煤層越遠時，超前支承壓力峰值在逐漸減小，隨著工作面的開采，采空區(qū)的應力值變小，卸壓范圍擴大，當卸壓范圍到60～80 m時，工作面推進長度為165 m。由于未發(fā)現(xiàn)超前支承壓力對工作面煤壁前方的煤巖體產生影響，故認為在工作面前方60 m以外范圍仍保持原巖應力；工作面前方6～60 m范圍內，發(fā)現(xiàn)超前支承壓力對工作面前方煤巖體有劇烈影響，在工作面前方13～20 m范圍內出現(xiàn)超前支承壓力峰值；工作面前方6 m到工作面后方采空區(qū)50 m范圍內處于應力降低區(qū)；采空區(qū)后50 m以外范圍屬于應力恢復區(qū)。

1.3 采場覆巖塑性破壞特征

工作面煤層采完之后，采場上覆巖層會跨落并擠壓，圍巖應力重新分布，導致巖體發(fā)生塑性破壞。根據(jù)塑性破壞區(qū)域對采場覆巖塑性破壞特征進行分析，歸納如下：

（1）經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在距離開切眼 45 m時直接頂初次來壓，使得工作面前方超前支承壓力急劇增大，應力集中系數(shù)在增加，煤層頂?shù)装逅苄云茐膮^(qū)域迅速變大，同時破壞深度也在增加，頂?shù)装逯饕l(fā)生剪切破壞和拉伸破壞，采場底板最大破壞深度達到5.66 m，頂板最大破壞深度達到11.15 m，工作面上出口的破壞程度要小于下出口，煤層頂板破壞區(qū)域呈“階梯狀”分布。

圖2 不同推進階段垂直應力變化曲線

（2）在工作面不斷回采的過程中，上覆巖層破壞深度不斷加大。當工作面推進85 m時，工作面下出口的破壞范圍加大，此時，頂板最大破壞深度為20.75 m。在頂板8.84 m～14.55 m范圍內，一部分巖體已經(jīng)發(fā)生了剪切破壞，還有一部分巖體正在發(fā)生剪切破壞，煤層頂板破壞區(qū)域呈“梯形”分布，底板破壞深度沒有增加，但橫向破壞范圍增大。

（3）如圖3所示，當工作面推進125 m時，頂板破壞區(qū)域“梯形”分布趨于明顯，當頂板破壞深度繼續(xù)增加時，其最大破壞深度增加至30.35 m。

圖3 工作面推進125 m塑性破壞區(qū)域分布

（4）當距離開切眼165 m時，頂板破壞明顯呈“梯形”分布，頂板破壞范圍開始趨于穩(wěn)定，頂板破壞深度達39.95 m。

（5）如圖4所示，當工作面推進205 m時，頂板破壞深度逐漸穩(wěn)定且不再增加。

圖4 工作面推進205 m塑性破壞區(qū)域分布

由以上分析可知：隨著采空區(qū)面積不斷增大，煤層頂板破壞區(qū)域在持續(xù)變大，且破壞深度也在增加，破壞區(qū)域一開始呈“階梯形”分布，之后逐步演變?yōu)槌省疤菪巍狈植肌．敼ぷ髅婊夭芍?5 m時，由于采空區(qū)頂板懸露面積大，直接頂初次來壓，與相似模擬實驗所得的初次來壓步距46 m相吻合。當工作面回采45 m～125 m時，由于基本頂周期來壓，頂板破壞深度明顯增加；當回采165 m時，頂板破壞范圍開始趨于穩(wěn)定。當回采205 m時，頂板破壞區(qū)域范圍已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，故本次模擬的頂板破壞深度最大值為 39.95 m。采動條件下煤層頂板由下而上，依次分為：①拉伸破壞區(qū)；②（剪切、拉伸）裂隙區(qū)；③剪切破壞區(qū)；④未受擾動區(qū)。從選取的塑性破壞區(qū)域圖看出垮落帶及導水裂縫帶的高度與拉伸破壞區(qū)和（剪切、拉伸）裂隙區(qū)的范圍密切相關。以模型設計和劃分為依據(jù)，計算出垮落帶的高度約為 11.67 m，導水裂縫帶最大發(fā)育高度約為39.95 m。

2 相似材料模擬分析結果

在相似模擬實驗開采過程中，發(fā)現(xiàn)頂板先彎曲下沉，產生裂隙破斷以后，工作面煤壁附近為旋轉下沉，這是由頂板主要發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞導致的。距離開切眼44 m時，由于上覆巖層自身載荷和開采的共同作用，導致直接頂大面積垮落，隨著工作面持續(xù)推進，基本頂覆巖裂隙發(fā)育程度出現(xiàn)先增大再減少后變化不明顯的過程。工作面回采至162.6 m時，基本頂呈現(xiàn)了五次周期來壓，沿工作面走向測出覆巖垮落角為48°～53°，采空區(qū)一側的垮落角為55°，覆巖垮落帶高度為11.4 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為39.2 m。

3 覆巖兩帶高度對比分析

通過煤巖參數(shù)測試結果可知，貴州某煤礦110302首采工作面的頂板為中等穩(wěn)定巖層。通過查閱相關技術規(guī)程可以確定 110302首采工作面的垮落帶和裂隙帶高度計算的經(jīng)驗公式分別為：

式中，∑M為累計采厚，m；Hk為垮落帶高度，m；HLi為導水裂縫帶高度，m。

將累計采厚∑M=3.7 m帶入式（1）和式（2），得出垮落帶和裂隙帶高度范圍分別為 7.97～12.37 m和33.27～44.47 m，該結果與數(shù)值模擬和相似模擬實驗測出的值進行對比，認為模擬實驗得出的數(shù)值與經(jīng)驗公式計算的結果相吻合。

4 結論

（1）在相似模擬開挖過程中，頂板先彎曲下沉，產生裂隙破斷以后，工作面煤壁附近為旋轉下沉，可以得出頂板主要發(fā)生了剪切破壞和拉伸破壞，這與數(shù)值模擬分析得出的塑性區(qū)域破壞圖所顯示的結果相符合。

（2）在回采工作面前后方范圍內支承壓力變化存在著4個區(qū)域：①在工作面前方60 m以外范圍沒有受采動影響，認為是原巖應力不變區(qū)；②在工作面前方6～60 m范圍內，受到工作面超前支承壓力的劇烈影響，圍巖應力值先迅速增大后逐漸變小，屬于應力增高區(qū)；③工作面前方6 m到工作面后方采空區(qū)50 m范圍內為應力降低區(qū)；④采空區(qū)后50 m以外范圍屬于應力恢復區(qū)。

（3）采場頂板破壞區(qū)域先是“階梯狀”分布，后逐漸演變?yōu)椤疤菪巍狈植迹还ぷ髅嫦鲁隹诘钠茐某潭纫笥谏铣隹冢饕挠绊懸蛩厥敲簩觾A角。

（4）由塑性破壞區(qū)域圖可知垮落帶的高度約為11.67 m，導水裂縫帶最大發(fā)育高度約為39.95 m，與經(jīng)驗公式和相似模擬得出的數(shù)值大致相符，達到了三者相互驗證的效果。