不同采厚對采場覆巖移動變形的影響分析

馮海軍，張鶴繽，吳 斌

（1.山西華寧焦煤有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100；2.中國冶金地質(zhì)總局 第三地質(zhì)勘查院，山西 太原 030002）

1 概況

山西華寧焦煤有限責(zé)任公司22109 采煤工作面位于河?xùn)|煤田中段，地表地形復(fù)雜，區(qū)域整體地勢呈現(xiàn)南部低、北部高的趨勢。地表松散層主要以黃土和風(fēng)化的巖石組成。區(qū)域構(gòu)造簡單，總體為單斜構(gòu)造，走向北東，傾向北西，地層大部分平緩。研究區(qū)主采煤層?xùn)|翼，可采厚度4.20～5.84 m，平均4.90 m，煤層整體賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，煤層傾角為1°～3°，局部5°～8°。頂?shù)装寰阅鄮r和砂巖為主，其中頂板泥巖和粉砂巖完整性較好，屬于中等穩(wěn)定頂板。煤層采用大巷條帶式布置長壁工作面，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，采空區(qū)頂板控制方式為全部垮落法。

2 數(shù)值計算模型及參數(shù)

此次模擬采用MIDAS GTS NX 有限元數(shù)值模擬軟件，該軟件在采空區(qū)上覆巖層移動研究應(yīng)用中已較為成熟。根據(jù)研究區(qū)地形圖、鉆孔資料、野外勘察資料等，建立三維數(shù)值模型。數(shù)值模型x、y、z方向的尺寸為487 m×411 m×231 m，模型Y 軸正方向表示工作面沿走向推進(jìn)方向，工作面模擬設(shè)定推進(jìn)長度為300 m。假設(shè)各巖體均質(zhì)、各向同性，定義荷載為自重作用下的靜荷載。模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，四周采用橫向位移約束，底面為固定約束。在滿足軟件對網(wǎng)格單元尺寸劃分要求的情況下，對計算模型單元進(jìn)行劃分，研究煤層覆巖的應(yīng)力及位移變化情況。在模擬煤層開采時，設(shè)置初始階段，將模型各個方向位移都清零。分別設(shè)置2、4、6 m 的開采厚度，研究其在相同工作面長度以及傾角情況下圍巖的應(yīng)力以及位移變化情況。數(shù)值計算模型如圖1 所示。

圖1 三維數(shù)值計算模型Fig.1 3D numerical calculation model

模型地層共分為13 層，單元網(wǎng)格長度設(shè)置為20 m，模型共劃分了2 807 個節(jié)點(diǎn)，3 620 個單元，參照鉆孔取樣的土工試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，確定計算模型各地層物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力變化分析

為研究不同采厚時上覆巖層的應(yīng)力變化，對采厚在2、4、6 m 時覆巖應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。圖2 和圖3 為沿工作面推進(jìn)100 m、300 m 處工作面中部的垂直應(yīng)力云圖。根據(jù)工作面推進(jìn)距離的不同，繪制出工作面中部支承壓力峰值隨開采厚度以及推進(jìn)距離的變化曲線，如圖4 所示。

圖2 3 種采高下工作面推進(jìn)100 m 應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of advancing 100m under three mining heights

圖3 3 種采厚下工作面推進(jìn)300 m 應(yīng)力云圖Fig.3 300 m stress nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

從圖2、圖3 可以發(fā)現(xiàn)，隨著開采的不斷深入，采空區(qū)頂、底板的應(yīng)力大幅度釋放，且頂板應(yīng)力釋放區(qū)大于底板，應(yīng)力區(qū)呈拱形，采空區(qū)左右邊界巖層，受周圍巖體的壓力作用比較明顯，為應(yīng)力集中區(qū)。初步開采階段應(yīng)力發(fā)生顯著變化的地方分布于開采區(qū)附近，隨著開挖步驟的進(jìn)行，應(yīng)力變化區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

由圖2、圖3 可以看出，在推進(jìn)100 m 和推進(jìn)300 m 后各工作面支承壓力峰值的變化，2 m 采厚下最大的應(yīng)力值由9 MPa 逐步上升至14 MPa 左右，4 m 采厚下最大的應(yīng)力值由13 MPa 逐步上升至20 MPa 左右，6 m 采厚下工作面最大的應(yīng)力值由12 MPa 逐步上升至18 MPa 左右，并逐漸趨于穩(wěn)定。采空區(qū)頂、底板最大壓應(yīng)力在開挖的過程中有明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，在煤層頂、底板巖層存在拉應(yīng)力，此時易發(fā)生拉伸破壞。煤層底板也承受著極大的拉應(yīng)力，且底板的位移向上，能夠判斷出其發(fā)生了底鼓現(xiàn)象。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，不同的開采厚度，其應(yīng)力集中區(qū)分布范圍并無太大差異，差異主要為應(yīng)力值的大小。當(dāng)工作面推進(jìn)300 m 時，開采厚度為2、4、6 m 時工作面支承壓力峰值分別為13.72、17.78、18.11 MPa。

從圖4 可以看出，在煤層未開采之前，原始應(yīng)力尚未遭到破壞，工作面中部支承壓力峰值相同。在開采初期，不同開采厚度下支承壓力峰值差別較小。隨著工作面推進(jìn)距離的增加，支承壓力峰值差別逐漸增加。當(dāng)工作面推進(jìn)距離相同時，開采厚度越大，支承壓力峰值越大。

圖4 支承壓力峰值隨開采厚度和推進(jìn)距離的變化Fig.4 The variation of peak abutment pressure with mining thickness and advancing distance

3.2 位移變化分析

為研究不同采厚時上覆巖層的位移變化，對采厚在2、4、6 m 時覆巖位移變化情況進(jìn)行分析。圖5、圖6 為當(dāng)工作面推進(jìn)長度為100 m、300 m 的垂直位移云圖。

由圖5、圖6 可以看出，隨開采的不斷深入，工作面頂板位移成拱形分布，頂板位移最大，底板位移最小。由圖可看出在推進(jìn)100 m 和推進(jìn)300 m 后工作面中部頂板下沉值的變化。2 m 采厚下最大下沉值由14.4 cm 逐步上升至32.8 cm 左右，4 m 采厚下最大下沉值由14.6 cm 逐步上升至33.1 cm 左右，6 m 采厚下工作面最大下沉值由14.7 cm 逐步上升至33.2 cm 左右。當(dāng)工作面推進(jìn)300 m 時，開采厚度為2、4、6 m 時工作面中部頂板最大下沉值分別為32.8、33.1、33.2 cm?？梢婋S著開采厚度以及工作面推進(jìn)距離的增大，頂板最大位移量不斷增大。

圖5 3 種采厚下工作面推進(jìn)100 m 位移云圖Fig.5 100 m displacement nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

圖6 3 種采厚下工作面推進(jìn)300 m 位移云圖Fig.6 300 m displacement nephogram of working face advancing under three mining thicknesses

4 結(jié)論

（1）隨著煤層開采厚度和工作面推進(jìn)距離的增加，應(yīng)力值由工作面的中部向兩側(cè)呈遞減趨勢，采場上覆巖層支承壓力峰值不斷增大，距離工作面中線越遠(yuǎn)，支承壓力峰值越低。工作面兩端是應(yīng)力集中區(qū)域，開采厚度對應(yīng)力分布的影響表現(xiàn)在，隨開采厚度的增加，采空區(qū)附近高應(yīng)力區(qū)的范圍變大，采空區(qū)附近所受應(yīng)力變高。開采厚度增加，拉應(yīng)力峰值不斷升高，極易發(fā)生拉張破壞。

（2）煤層開采后，覆巖產(chǎn)生向下的連續(xù)位移，頂板附近的豎向位移最大，底板的豎向位移最小，且位移向上。頂板的下沉量隨開采厚度的不斷增大而增大。