一側采空工作面采動覆巖應力演化規律研究

任有奎

（中國煤炭地質總局一一九勘探隊，河北 邯鄲 056107）

0 引言

回采工作面是煤礦最核心的作業區域，采動后空間周圍原應力場產生新變化，巖層在重新應力場應力作用下產生運動或破壞。采場周圍煤巖體的破壞和應力演化規律一直是采礦學科的重點研究內容[1]。國內外學者對采動覆巖應力變化規律進行了大量的研究，但大多集中于單一工作面煤層開采條件的采動覆巖運移和破壞規律研究，對于周邊已經發生采動影響的工作面研究較少。宋振騏院士[2-3]根據傳遞巖梁理論創建了“實用礦山壓力理論”，提出內外應力場概念，認為一側采空后的實體煤會出現內外2 個應力場。該項目采用軟件計算得到相鄰工作面開采后地表變形值小于2 個工作面單采后的變形值的累加和。何滿潮運用FLAC3D數值模擬研究了相鄰工作面區段煤柱4 種不同開采方式的應力分布特征。來興平等采用FLAC 有限元軟件對相鄰工作面先后開采后覆巖應力、位移和塑性破壞特征進行了研究。

該文采用FLAC3D 對一側采空工作面上覆巖層的應力變化進行數值模擬，分析不同工作面推進距離覆巖應力演化規律，為計算和判斷支架選型和巷道支護等額問題提供依據，為工作面的安全高效開采提供了保障。

1 工作面概況

1.1 工作面位置

該文以某煤礦4203 工作面為研究對象，該工作面所采煤層為4 號煤，平均厚度為6.8 m，煤層傾角4°～8°。工作面走向長度2 568 m，傾向長度為255 m，煤層底板標高+685.63 m～+831.227 m。其北側為4201 已采工作面，西側為輔運石門，東側為太興鐵路保安煤柱，南側為規劃的4101工作面。4203 工作面與4201 工作面落差為12 m 左右，總體呈南高北低、西高東低。

2 FLAC3D 數值模型建立

該文以相鄰的4201 工作面和4203 工作面為對象，運用FLAC3D 有限元軟件建立三維計算模型，模擬分析有無一側采空工作面不同推進距離采動覆巖的應力演化規律。

2.1 模型方案及邊界條件

工作面區域內無大的構造，各巖層之間為整合接觸，傾角不大，可以建立水平模型對實際情況近似模擬。根據模擬需要，模型幾何尺寸取900m×500m×240m，模擬開采深度515 m。采區走向為x方向，傾向為z方向，垂直方向為y方向。取煤層以上213 m 做上邊界，以下20 m 做下邊界建模。其計算模型的網格剖分如圖2 所示，上邊界以上的巖層作為作用在模型上邊界上的外荷載。左、右邊界和下邊界約束法向位移。

2.2 各巖層物理力學參數

經過經驗處理和數值模擬的擬合調試，該模擬巖層信息主要使用該礦回風井巖層結構，實驗時各巖層采用的物理力學參數見表1。

表1 計算巖（土）層組物理力學性質指標

3 模擬計算結果分析

3.1 模型初始應力分析

一側采空工作面沒有開采前，受采空區的擾動影響，覆巖初始平衡應力已發生改變，在工作面走向及傾向上應力重新分布，產生應力集中區。

3.2 不同推進距離覆巖應力分布模擬結果分析

工作面推進到130 m、520 m 時的巖體應力狀態及關鍵層垂直位移變化如圖3、圖4 所示。

單一工作面推進到130 m 時，由于推進距離較小，在走向上，采空區覆巖卸壓區呈尖頂狀；在傾向上，采空區覆巖卸壓區域呈現兩側對稱的梯形。一側采空工作面推進到130 m 時，在走向上，覆巖應力分布形態與單一工作面開采類似，在傾向上，采空區覆巖卸壓區域呈現斜梯形，靠近采空區煤柱附近應力釋放區域較小。工作面推進到130 m 時，受覆巖應力的重新分布影響，單一工作面與一側采空工作面覆巖的位移變化量均較小，各巖層自下而上垂直位移逐漸減小。對比工作面一側采空前后，K5 巖層垂直位移提升了12.44%。

工作面推進到520 m 時，單一工作面和一側采空工作面覆巖垂直應力分布形態在走向上基本一致，近似呈平頂斜梯形，左右對稱，隨回采距離增大使覆巖影響范圍增大。在傾向上，覆巖應力分布形態基本相似，但大小不同，一側采空工作面采空區側應力明顯偏小。

工作面推進到520 m 時，單一煤層開采時，K5 巖層垂直位移最大4.50 m；組合開采時，K5 巖層垂直位移最大5.20 m。對比有無采空區工作面K5 與K6 巖層的變形位移量對比，見表2。

表2 4203 工作面模擬開采關鍵巖層沉降量對比表

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 采動覆巖應力演化特征

因煤層的開采破壞了覆巖的原巖應力場平衡狀態，采空區上覆巖體逐步垮落，垂直應力得到釋放，隨工作面的推進應力降低范圍不斷擴大[4-8]。根據FLAC3D數值模擬，對比有無4201 采空區覆巖應力變化云圖可知：1）單一工作面開采時，采動覆巖垂直應力分布形態左右對稱，推進距離較小時，應力分布形態呈尖頂狀；工作面見方時，采空區覆巖卸壓高度基本達到最大，超過K6 砂巖，應力分布形態走向上呈平頂梯形、傾向上呈中間平兩端頂起；充分開采后，采空區覆巖卸壓高度趨于穩定，覆巖應力分布形態不再發生變化，僅在走向上隨回采距離增大使覆巖周圍應力卸壓區域增大。2）一側采空工作面開采時，受采空區的擾動影響，開采前，覆巖初始平衡應力已發生改變，覆巖產生應力集中區。回采后，采動覆巖應力演化時間相對滯后，工作面見方時，采空區覆巖卸壓高度還未達到最大；充分開采后，采空區覆巖卸壓高度達到最大且趨于穩定。覆巖應力分布形態在走向上與單一工作面開采類似，僅采空區覆巖卸壓發育高度相對減小；在傾向上，采空區覆巖卸壓區域呈現斜梯形，工作面兩側覆巖應力分布形態不對稱，靠近采空區煤柱附近應力釋放區域初始較小，隨工作面推進逐步擴大，充分開采后，工作面兩側煤柱覆巖應力分布形態基本對稱，大小不同，采空區側應力明顯偏小。

3.3.2 采動覆巖位移演化特征

煤層開采后，受自身重力影響采空區上覆各巖層逐漸與上分層分離，產生向下的垂直位移，隨著工作面的不斷推進，采動覆巖垂直位移逐漸從采空區低位巖層向高位巖層演化。通過對有無4201 采空區的覆巖變形位移量對比分析可知：1）結合覆巖應力變化云圖可以看出K5 是煤層上方第一次關鍵巖層，對4203 工作面上覆巖層運動起到重要控制作用；K6 作為整個工作面的主關鍵層，對工作面上覆巖層運動控制作用更加明顯。2）單一工作面與一側采空工作面采動覆巖垂直位移演化特征一致，覆巖位移變化自下而上擴展，各巖層自下而上垂直位移量自下而上逐漸減小。3）覆巖不同層位垂直位移隨著工作面回采逐漸趨于穩定，充分開采后，覆巖運動高度范圍及垂直位移變化量均達到最大。對比工作面一側采空前后，K5 巖層單一煤層開采時垂直位移最大4.50 m，組合開采時垂直位移最大5.20 m，垂直位移提升了15.55%；K6 巖層單一煤層開采時垂直位移最大1.50 m，組合開采時垂直位移最大3.50 m，垂直位移提升了133.33%。

4 結論

該文利用FLAC3D 數值模擬，通過對有無一側采空工作面不同推進距離下采動覆巖應力分布和垂直位移演化規律進行分析，得出以下2 點結論：1）隨著工作面推進，采動覆巖應力重新分布，垂直應力得到釋放，應力降低范圍不斷擴大。單一工作面開采時，采動覆巖垂直應力分布形態左右對稱；一側采空后，采動覆巖垂直應力分布形態不斷發生變化，靠近采空區一側應力影響范圍逐漸增大，最終在工作面兩側覆巖應力分布形態呈基本對稱，但應力大小不同的梯形。2）受采空區的擾動影響，一側采空工作面煤層開采時，在極大的應力作用下，采動覆巖垂直位移變化量產生較大的變化，關鍵巖層沉降量明顯增大。