大采高綜采工作面采場圍巖應力與運移規律研究*

閆殿華

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030032；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030032；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030032）

1 引言

國內煤礦井下綜合機械化采煤工作面地質條件千差萬別，不同地質條件下工作面來壓強度有所不同，隨著開采深度及開采厚度的增大，工作面來壓期間應力集中系數變高，覆巖垮落帶高度增大，這些都對支架支護強度、可靠性及對圍巖的適應性等提出了新的要求[1，2]。此外，當地質條件較為復雜時，多數綜采工作面支架對圍巖的適應性差，導致支架支護效率降低，有時會出現煤壁片幫、頂板局部冒落等現象，這些都嚴重制約著我國綜采工作面支護技術裝備的發展。因此，有必要應用數值模擬、相似模擬等方法系統地研究采場覆巖的應力分布規律、破壞變形規律及支架在不同階段的受力特征，并在此基礎上歸納分析支架支護力變化時圍巖運移相對變化規律，為類似大采高支架選型、設計提供科學依據，提高頂板圍巖控制效果，保障綜采面高效推進。

2 采場圍巖應力與運移規律模擬研究

2.1 開采地質條件

陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司N1222綜采工作面煤層平均厚度5.6 m，工作面長200 m，推進長度為3000 m。工作面頂板為泥巖及砂質泥巖，夾粉砂巖薄層，見碳質紋層，含白云母碎片及暗色礦物，分選性中等，次圓狀，水平波狀層理及小型交錯、塊狀層理,含植物葉化石，見鏡煤條帶，厚0~10.1 m。工作面底板均由泥巖及砂質泥巖組成。泥巖呈灰黑、深灰色薄層狀，水平及小交錯層理，局部底部有煤線，厚0～0.85 m，零星分布，砂質泥巖為淺灰、灰黑色薄-厚層狀粉砂巖，夾細粒，具滑面及菱鐵質透鏡體，水平及波狀層理、緩波狀及小型交錯層理，厚0～8.83 m，零星分布。

2.2 采場覆巖數值模擬研究

2.2.1 數值模擬研究

采用FLAC3D 對不同開采條件下工作面圍巖的應力分布及其變形、破壞規律進行數值模擬研究。為更接近工程實際，對各煤巖體進行了實驗室參數測定。根據研究的實際情況，建立模型：走向長度300 m，傾斜長度300 m，高度130 m，模擬埋深320 m，模型兩側限制水平移動，底部限制垂直移動[3]，上部施加均布載荷，模型見圖1。

圖1 FLAC3D 數值計算模型

2.2.2 上覆巖層位移演化規律

工作面推進時，變形明顯區域主要處于工作面采空區域頂板，并隨著工作面推進向上覆高層位巖層延伸，在巖層與黏土層交匯區域，位移輪廓出現橫向擴展區域[3，4]，隨著工作面的推進有繼續擴展趨勢，當工作面推進至50 m 左右時，頂板破壞延伸至基本頂并進一步向上擴展，隨著繼續推進，頂板巖層破壞形呈豎直切落特征，見圖2。

圖2 采動過程中上覆巖層位移演化規律

3 采場覆巖運移相似模擬研究

3.1 實驗模型設計及參數選取

實驗時將河沙作為模擬巖層的主要材料，輔以熟石膏和大白粉，采用粉煤灰模擬煤層，各材料在混合過程中加入一定量的水。實驗根據模型的比例尺、材料的重度比來確定實驗的相似配比，所得各巖層的相似材料配比如表1 所示。

表1 相似材料配比

模型根據需要選取幾何相似比為1：100，容重相似常數為1.6，彈性模量及強度相似常數為160，時間相似常數7.75。實驗模型見圖3。

圖3 實驗模型圖

使用由應力傳感器、數據線及計算機組成的系統獲取采動過程中所受的應力值，煤層覆巖移動變形量使用光學全站儀及百分表來測定。

3.2 工作面覆巖垮落及支架受力規律研究

推進初期，頂板基本保持穩定狀態，支架工作阻力較小，基本維持初撐力狀態。隨著工作面的推進，頂板出現離層但未斷裂，采空區上覆巖層應力主要集中于兩側煤壁上，支架受力相對較小，表現為頂梁前部應力略高于后部[5，6]。持續推進，頂板出現離層但未斷裂，采空區上覆巖層應力主要集中于兩側煤壁上，支架受力相對較小，表現為頂梁前部應力略高于后部。頂板斷裂線位于支架中部靠前，斷裂的巖塊回轉形成新的暫時相對穩定的“砌體梁”結構[5]。繼續推進，采空區上覆巖層頂板斷裂，斷裂線位于支架后部，支架受力表現為后部高于前部。后續推進過程中，上覆巖層頂板斷裂線位于工作面煤壁附近，支架承載著斷裂巖塊全部應力[3，4，6]，見圖4。

圖4 覆巖斷裂線與支架受力狀態

3.3 采場礦壓規律

根據實際地質條件，通過相似模擬研究得出工作面初次來壓步距為44 cm，最大周期來壓步距為18 cm，最小步距為10 cm，平均來壓步距為13.6 cm，來壓期間最大動載系數為1.6，最小動載系數為1.32，頂板斷裂線位于支架頂梁中部及靠后區域時動載系數較大，頂板在工作面煤壁切落時動載系數較小[5]。工作面支架壓力與推進距離變化關系曲線如圖5 所示，來壓特征如表2 所示。

表2 頂板來壓特征表

圖5 覆巖斷裂線與支架受力狀態

4 結語

采用FLAC3D 對不同開采條件下工作面圍巖的應力分布及其變形破壞規律進行數值模擬研究。為了更接近工程實際，對各煤巖體進行了實驗室參數測定，分析了不同采高下工作面圍巖體應力分布及位移速度變化規律及采動過程中上覆巖應力、破壞及變形規律及支架工作阻力對工作面圍巖的控制作用，歸納如下：

（1）隨著采高增大工作面覆巖應力先減小后增大，超前應力影響范圍先增大后減小，采高為5m時工作面附近高應力區范圍最大，應力峰值最小[3]；采高增大后覆巖層運動逐漸強烈，頂板空頂處圍巖變形逐漸增大，大量動載作用于煤壁上造成煤壁結構破壞引發片幫，采高大于5m 時煤壁片幫深度大幅度增大，增大了采場圍巖維護難度。

（2）隨著工作面推進，應力集中區域在煤壁前方持續增大，隨后趨于穩定，在采空區側出現應力釋放區，持續增大隨后趨于穩定，工作面前方出現應力減壓區、增壓區和穩壓區[2]。

（3）隨著采動持續進行，覆巖變形破壞區域由采空區頂板向上擴散，擴散至基巖與松散層交匯處后向橫向擴散，之后發生協同變形，產生大幅度破壞變形，對工作面造成沖擊，支架應具有一定剛度、強度及抗沖擊能力[1，3]。

（4）工作面持續采動下破壞區域由頂板向工作面邊緣擴散；由拉應力為主變為剪應力為主，隨著持續推進，松散層與巖層發生同步破壞。

（5）支撐力、主動水平推力及護幫力共同作用下可使工作面頂板巖層得到有效控制，主動水平力及護幫板產生的力較小，但對圍巖具有十分有效的維護作用。