王家嶺煤礦綜放開采覆巖應力場形成及演化特征

＊秦奎元

（中煤華晉集團有限公司王家嶺礦 山西 043300）

1.緒論

中國既是煤炭消費大國，也是煤炭進口大國，煤炭在國家的經濟建設和長遠發展中發揮著不可替代的作用。增產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]。隨著現代科學技術的進步，設備自動化、設備智能化等方面不斷發展，我國煤炭開采技術也進入了快速發展階段，大采高綜合機械化采煤技術的應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、掘進率低等優點，在我國礦區得到廣泛應用。

但我國礦區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重等方面。采高越大，煤壁塑性破壞范圍越大，煤壁破壞越嚴重。落煤容易破碎刮板輸送機，對操作人員造成傷害。同時，也會誘發工作面局部冒頂，嚴重威脅作業人員和設備安全[3]。國內外大量學者對綜采覆巖應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]通過抗壓強度試驗發現，當層理發育，且煤層中存在較多弱面時，硬度系數較低的煤層更易導致片幫，并提出了超高片幫防治柔性加固技術。

隨著開采范圍的變化，工作面覆巖運動特征和采動應力分布不斷變化，煤層采場圍巖控制準則也應隨著工作面推進階段的變化而適當變化。本文采用FLAC3D數值模擬方法，基于王家嶺煤礦121309工作面實際情況，分析了其掘進過程中采動應力及覆巖位移規律，得到了煤層工作面覆巖運動規律及采動應力動態演化過程。

2.應力狀態描述及數值模擬方案

根據王家嶺煤礦2#主采煤層121309工作面覆巖條件建立FLAC3D數值模型，對綜放開采中煤體內三個主應力大小及方向演化規律展開研究。

本文構建的FLAC3D模型的單元格數為1.42×106，設置了9.66×105個節點數。該模型長×寬×高=1450m×320m×（280～430）m。為了保證模擬的真實性，將121309工作面破碎的覆巖在模擬過程中設置為空網格，保證在模擬過程中呈現出覆巖垮落的過程。煤巖物理力學參數按表1賦值。

表1 煤巖物理力學參數

3.綜放開采覆巖應力場形成及演化特征

(1)不同黃土溝壑地貌下的原巖應力場特征

黃土溝壑地貌引起的原巖應力場變化是在一定深度范圍內的。同時，在溝壑地貌的溝底處的應力集中現象和深度成反比。覆巖原巖的應力和覆巖的自身重力在黃土溝壑地貌的作用下呈現出變化不一致的現象，其中原巖應力的應力集中現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力分布規律，現針對工作面推進方向上600～900m單一溝壑區域進行研究。此處地面最低標高為835m，最小覆巖厚度是40m。在該厚度的巖層上，垂直應力最小值為1.59MPa，垂直應力最大值為3.05MPa，最大垂直應力值分布大多位于溝谷底部，說明該區域出現了應力集中現象；溝谷坡頂則與最小主應力區域相關聯，說明坡頂應力值較低。綜合對比深度與其關聯性的特征發現，深度增加，關聯性越弱。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力較大，不同埋深下覆巖的自重力和垂直應力的比值為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力場的影響程度。η可用式（1）表達。

式中，δg為自重應力，δg=γh，單位MPa；δ0為巖層原巖應力，單位MPa。

結合圖1，可知η與巖層距溝谷溝底深度h之間的關系為：

圖1 不同深度黃土溝壑地表下覆巖原巖應力與自重應力變化圖

同時，一般將取高于原巖應力的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為應力集中系數，K=2～4，此處取2。

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

圖2 121309工作面地表黃土溝壑影響區域劃分

(2)黃土溝壑地貌下綜放開采覆巖應力動態變化基本規律

為了模擬不同工作面推進距離下的應力變化規律，本文設計了相似材料模擬實驗，試驗采用平面相似模型試驗臺的尺寸為5.0m×3.0m×0.2m（長×高×厚）。本次實驗采用DIC三維光學散斑系統、天遠DigiMetric攝影測量系統對開采后覆巖位移進行觀測，采用TS3862靜態電阻應變儀進行應力觀測。

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

圖3 黃土溝壑地貌下工作面未開采時覆巖原巖應力分布

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

圖4 工作面推進不同距離時測線2應力值曲線圖

(3)黃土溝壑下采動應力場演化特征

根據建立的FLAC3D三維數值模型，為驗證相似材料模擬的計算結果，以相似材料模擬選取的研究段進行研究，分析了121309工作面在掘進350～1100m時的覆巖應力場、位移和塑性區的變化。

121309工作面在開切眼后，周圍覆巖的應力場遭到破壞，應力平衡被打破，導致巖體需要重新構建應力平衡，從而煤體產生應力集中的現象，此時煤體的最大垂直應力是原巖最大應力的1.99倍。因為開切眼的尺寸較小，不會導致覆巖和覆巖上方的土層出現崩塌下沉的現象，僅在開切眼附近產生輕微崩塌下沉，同時在開切眼2.5m的范圍內會導致煤體出現塑性破壞，且破壞深度為3.2m。

綜上所述，覆巖破壞后會在采空區產生下沉的現象，采空區上方會出現不同于傳統的“拱形”“馬鞍形”的卸壓區。

4.結論

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

（2）黃土溝壑地貌對覆巖的應力場、破壞位移等均存在明顯的影響，表現為覆巖破壞后會在采空區產生下沉的現象，采空區上方會出現不同于傳統的“拱形”“馬鞍形”的卸壓區。