近距離煤層下部工作面采動應力-裂隙演化規(guī)律研究

孫 賡 樊浩冬 高 帥

（河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

在我國中東部煤炭資源開采過程中，工作面布置和巷道圍巖控制等問題一直受到專家學者[1-5]的關注，如近距離煤層群開采工作面應力-裂隙演化規(guī)律、煤柱下開采工作面布置等問題。工作面開采時遇到此類問題時會威脅到煤礦工人的生命財產安全。

在葛泉礦東井中，1271（上部）工作面和1295（下部）工作面停采線基本處于同一位置，上部工作面走向長420 m，下部工作面走向長705 m，兩工作面間巖層厚度為29.8 m。上部工作面已開采完成，下部工作面采動受近距離煤層影響存在應力和覆巖裂隙演化不規(guī)律等問題。

基于此，本文從下部工作面安全、高效生產的角度出發(fā)，針對葛泉礦東井1271 工作面和1295 工作面實際條件，通過離散元數值模擬試驗，建立離散元數值模擬模型，對近距離煤層下部工作面采動應力-裂隙演化規(guī)律展開研究[6-10]。

1 數值模擬模型的建立

在UDEC 中建立x向長600 m，y向高240 m的計算模型。本次計算模型煤層附近煤巖層加密至每5 m 一個塊體，巖層和煤層采用原巖參數，模型選用庫倫摩爾模型。模型除頂部均采取法向約束，底部固定x向位移，重力加速度取為9.8 m/s2。首采上部工作面，后采下部工作面，模型尺寸及煤層位置關系如圖1。

圖1 數值模擬模型圖（m）

2 下部工作面采動應力-裂隙演化規(guī)律分析

兩工作面開采范圍如圖1。當前上部工作面已回采完成，巖層中應力發(fā)生重新分配。現(xiàn)分析下部工作面采動應力-裂隙演化規(guī)律。

如圖2 所示，下部工作面推進初期，采空區(qū)覆巖深部產生離層，采空區(qū)中部底板應力有較大增長，兩工作面間巖柱應力開始產生應力集中。推進160～180 m 時，兩工作面間巖柱應力逐漸增長，采空區(qū)中部覆巖垮落壓實應力逐漸增長。

圖2 下部工作面推進過程應力云圖

下部工作面推進200 m 時，兩工作面間巖柱受兩工作面采空區(qū)影響逐漸變窄，應力集中程度達到最大。推進220 m 時，兩工作面間巖柱難以承受高應力集中發(fā)生破壞，之后兩工作面覆巖發(fā)生整體垮落，上部工作面開切眼側垮落帶壓實后應力得以迅速恢復。推進240 m 時，下部工作面位于上部工作面減壓區(qū)下方，工作面前方圍巖應力迅速卸壓。推進300 m 時，下部工作面位于上部工作面穩(wěn)壓區(qū)下方，工作面前方圍巖應力得以緩慢增長。推進480 m 時，工作面前方圍巖受上部工作面減壓區(qū)影響應力緩慢降低，下部工作面采空區(qū)中部有兩處應力集中區(qū)，分別位于上部工作面穩(wěn)壓區(qū)下方、上部工作面開切眼外側，且上部工作面開切眼外側應力集中程度高于上部工作面穩(wěn)壓區(qū)下方。

如圖3（a）、（b）所示，當下部工作面回采初期，兩工作面間的應力擾動不明顯，在推進過程中形成以開切眼和工作面兩點為殼基的應力集中殼并在推進過程中緩慢擴大。

圖3 下部工作面推進過程最大拉應力張量云圖

如圖3（b）、（c）所示，下部工作面靠近上部工作面開切眼時，兩個位置的應力集中產生疊加，殼基逐漸靠近，兩工作面的應力集中殼之間互相影響。由于兩工作面間的巖柱寬度不斷縮小，巖柱兩側最大主應力方向發(fā)生偏轉。下部工作面推進200～220 m 時，巖柱位置應力快速增長，同時巖體內部應力值升高時最大主應力方向偏轉更加迅速。

如圖3（d）所示，下部工作面通過上部工作面開切眼下方時，兩工作面間巖柱發(fā)生破壞，上部覆巖大范圍垮落，兩工作面應力集中殼殼基發(fā)生重疊，在下部工作面后方出現(xiàn)應力回升區(qū)，兩工作面形成左低右高的“M 形”共同應力集中殼。下部工作面繼續(xù)推進，應力回升區(qū)逐漸擴展，工作面?zhèn)葢χ饾u升高。下部工作面推進至480 m，兩工作面應力集中殼重合形成左高右低的“M形”整體應力集中殼。

如圖4 所示，下部工作面開采過程中，隨工作面開采，采空區(qū)逐漸增大，超前支承壓力緩慢增長。下部工作面逐漸接近上部工作面開切眼時，覆巖應力由兩工作面間寬度不斷變小的巖柱傳遞應力，超前支承壓力快速增長。開采至上部工作面開切眼下時，超前支承壓力迅速卸壓。開采上部工作面采空區(qū)下時，超前支承壓力先緩慢增長后緩慢卸壓。

圖4 下部工作面超前支承壓力演化曲線

如圖5 所示，根據下部工作面開采裂隙圖可知，下部工作面回采初期，覆巖受采空區(qū)影響產生下沉，形成“梯形”采動裂隙區(qū)。隨工作面采空區(qū)擴大，“梯形”采動裂隙區(qū)在走向和高度上不斷擴大。下部工作面推進180～200 m 時，覆巖“梯形”采動裂隙區(qū)走向長度繼續(xù)擴大，兩工作面間巖柱寬度不斷縮小。下部工作面推進220 m 時，兩工作面間巖柱難以承受覆巖荷載產生采動裂隙破壞，兩工作面的覆巖突發(fā)整體下沉，此時上部工作面開切眼側垮落帶離層被壓閉合，下部工作面受覆巖整體下沉的影響，采動裂隙區(qū)高度繼續(xù)向上發(fā)育。下部工作面推進240～480 m 時，采空區(qū)外“梯形”垮落壓實區(qū)不再繼續(xù)擴大，工作面?zhèn)雀矌r離層區(qū)范圍較開切眼側離層區(qū)大。下部工作面推進480 m 時，覆巖“梯形”采動裂隙區(qū)走向和高度上發(fā)育至最大，覆巖垮落后形成兩部分“梯形”垮落壓實區(qū)，一部分為在上部工作面采空區(qū)下方的垮落壓實區(qū)，另一部分位于上部工作面采空區(qū)外側。

圖5 下部工作面開采巖層裂隙圖

3 結論

本文采用UDEC 數值模擬實驗，研究了近距離煤層下部工作面采動應力-裂隙演化規(guī)律，主要成果如下：

1）下部工作面推進初期，受采空區(qū)影響應力集中殼不斷擴大；下部工作面推進至上部工作面開切眼下時，兩工作面應力集中殼重合，形成左低右高“M 形”應力集中殼；下部工作面開采完成后形成左高右低“M 形”應力集中殼。

2）下部工作面推進初期，超前支承壓力緩慢增長；下部工作面靠近上部工作面開切眼處時，超前支承壓力快速增長；下部工作面推進至上部工作面開切眼下時，超前支承壓力迅速卸壓；下部工作面位于上部工作面采空區(qū)內時超前支承壓力呈緩慢增長-緩慢卸壓的演化規(guī)律。

3）下部工作面推進初期，覆巖形成“梯形”采動裂隙區(qū)；下部工作面開采至上部工作面開切眼處時，兩工作面間巖柱產生采動裂隙，之后上部工作面開切眼處采動裂隙區(qū)發(fā)生閉合；開采完成后，采空區(qū)內形成兩部分“梯形”垮落壓實區(qū)，一部分位于上部工作面采空區(qū)下方中部，一部分位于上部工作面采空區(qū)外側。