任有奎

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊(duì)，河北 邯鄲 056107）

0 引言

回采工作面是煤礦最核心的作業(yè)區(qū)域，采動(dòng)后空間周?chē)瓚?yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生新變化，巖層在重新應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或破壞。采場(chǎng)周?chē)簬r體的破壞和應(yīng)力演化規(guī)律一直是采礦學(xué)科的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采動(dòng)覆巖應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，但大多集中于單一工作面煤層開(kāi)采條件的采動(dòng)覆巖運(yùn)移和破壞規(guī)律研究，對(duì)于周邊已經(jīng)發(fā)生采動(dòng)影響的工作面研究較少。宋振騏院士[2-3]根據(jù)傳遞巖梁理論創(chuàng)建了“實(shí)用礦山壓力理論”，提出內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)概念，認(rèn)為一側(cè)采空后的實(shí)體煤會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外2 個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。該項(xiàng)目采用軟件計(jì)算得到相鄰工作面開(kāi)采后地表變形值小于2 個(gè)工作面單采后的變形值的累加和。何滿(mǎn)潮運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬研究了相鄰工作面區(qū)段煤柱4 種不同開(kāi)采方式的應(yīng)力分布特征。來(lái)興平等采用FLAC 有限元軟件對(duì)相鄰工作面先后開(kāi)采后覆巖應(yīng)力、位移和塑性破壞特征進(jìn)行了研究。

該文采用FLAC3D 對(duì)一側(cè)采空工作面上覆巖層的應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同工作面推進(jìn)距離覆巖應(yīng)力演化規(guī)律，為計(jì)算和判斷支架選型和巷道支護(hù)等額問(wèn)題提供依據(jù)，為工作面的安全高效開(kāi)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(duì)象，該工作面所采煤層為4 號(hào)煤，平均厚度為6.8 m，煤層傾角4°～8°。工作面走向長(zhǎng)度2 568 m，傾向長(zhǎng)度為255 m，煤層底板標(biāo)高+685.63 m～+831.227 m。其北側(cè)為4201 已采工作面，西側(cè)為輔運(yùn)石門(mén)，東側(cè)為太興鐵路保安煤柱，南側(cè)為規(guī)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(shù)值模型建立

該文以相鄰的4201 工作面和4203 工作面為對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D 有限元軟件建立三維計(jì)算模型，模擬分析有無(wú)一側(cè)采空工作面不同推進(jìn)距離采動(dòng)覆巖的應(yīng)力演化規(guī)律。

2.1 模型方案及邊界條件

工作面區(qū)域內(nèi)無(wú)大的構(gòu)造，各巖層之間為整合接觸，傾角不大，可以建立水平模型對(duì)實(shí)際情況近似模擬。根據(jù)模擬需要，模型幾何尺寸取900m×500m×240m，模擬開(kāi)采深度515 m。采區(qū)走向?yàn)閤方向，傾向?yàn)閦方向，垂直方向?yàn)閥方向。取煤層以上213 m 做上邊界，以下20 m 做下邊界建模。其計(jì)算模型的網(wǎng)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(xué)參數(shù)

經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)處理和數(shù)值模擬的擬合調(diào)試，該模擬巖層信息主要使用該礦回風(fēng)井巖層結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)時(shí)各巖層采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算巖（土）層組物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型初始應(yīng)力分析

一側(cè)采空工作面沒(méi)有開(kāi)采前，受采空區(qū)的擾動(dòng)影響，覆巖初始平衡應(yīng)力已發(fā)生改變，在工作面走向及傾向上應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)。

3.2 不同推進(jìn)距離覆巖應(yīng)力分布模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)到130 m、520 m 時(shí)的巖體應(yīng)力狀態(tài)及關(guān)鍵層垂直位移變化如圖3、圖4 所示。

單一工作面推進(jìn)到130 m 時(shí)，由于推進(jìn)距離較小，在走向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)呈尖頂狀；在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的梯形。一側(cè)采空工作面推進(jìn)到130 m 時(shí)，在走向上，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)與單一工作面開(kāi)采類(lèi)似，在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)斜梯形，靠近采空區(qū)煤柱附近應(yīng)力釋放區(qū)域較小。工作面推進(jìn)到130 m 時(shí)，受覆巖應(yīng)力的重新分布影響，單一工作面與一側(cè)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(duì)比工作面一側(cè)采空前后，K5 巖層垂直位移提升了12.44%。

工作面推進(jìn)到520 m 時(shí)，單一工作面和一側(cè)采空工作面覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)在走向上基本一致，近似呈平頂斜梯形，左右對(duì)稱(chēng)，隨回采距離增大使覆巖影響范圍增大。在傾向上，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)基本相似，但大小不同，一側(cè)采空工作面采空區(qū)側(cè)應(yīng)力明顯偏小。

工作面推進(jìn)到520 m 時(shí)，單一煤層開(kāi)采時(shí)，K5 巖層垂直位移最大4.50 m；組合開(kāi)采時(shí)，K5 巖層垂直位移最大5.20 m。對(duì)比有無(wú)采空區(qū)工作面K5 與K6 巖層的變形位移量對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 4203 工作面模擬開(kāi)采關(guān)鍵巖層沉降量對(duì)比表

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 采動(dòng)覆巖應(yīng)力演化特征

因煤層的開(kāi)采破壞了覆巖的原巖應(yīng)力場(chǎng)平衡狀態(tài)，采空區(qū)上覆巖體逐步垮落，垂直應(yīng)力得到釋放，隨工作面的推進(jìn)應(yīng)力降低范圍不斷擴(kuò)大[4-8]。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)比有無(wú)4201 采空區(qū)覆巖應(yīng)力變化云圖可知：1）單一工作面開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)左右對(duì)稱(chēng)，推進(jìn)距離較小時(shí)，應(yīng)力分布形態(tài)呈尖頂狀；工作面見(jiàn)方時(shí)，采空區(qū)覆巖卸壓高度基本達(dá)到最大，超過(guò)K6 砂巖，應(yīng)力分布形態(tài)走向上呈平頂梯形、傾向上呈中間平兩端頂起；充分開(kāi)采后，采空區(qū)覆巖卸壓高度趨于穩(wěn)定，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)不再發(fā)生變化，僅在走向上隨回采距離增大使覆巖周?chē)鷳?yīng)力卸壓區(qū)域增大。2）一側(cè)采空工作面開(kāi)采時(shí)，受采空區(qū)的擾動(dòng)影響，開(kāi)采前，覆巖初始平衡應(yīng)力已發(fā)生改變，覆巖產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)?；夭珊螅蓜?dòng)覆巖應(yīng)力演化時(shí)間相對(duì)滯后，工作面見(jiàn)方時(shí)，采空區(qū)覆巖卸壓高度還未達(dá)到最大；充分開(kāi)采后，采空區(qū)覆巖卸壓高度達(dá)到最大且趨于穩(wěn)定。覆巖應(yīng)力分布形態(tài)在走向上與單一工作面開(kāi)采類(lèi)似，僅采空區(qū)覆巖卸壓發(fā)育高度相對(duì)減小；在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)斜梯形，工作面兩側(cè)覆巖應(yīng)力分布形態(tài)不對(duì)稱(chēng)，靠近采空區(qū)煤柱附近應(yīng)力釋放區(qū)域初始較小，隨工作面推進(jìn)逐步擴(kuò)大，充分開(kāi)采后，工作面兩側(cè)煤柱覆巖應(yīng)力分布形態(tài)基本對(duì)稱(chēng)，大小不同，采空區(qū)側(cè)應(yīng)力明顯偏小。

3.3.2 采動(dòng)覆巖位移演化特征

煤層開(kāi)采后，受自身重力影響采空區(qū)上覆各巖層逐漸與上分層分離，產(chǎn)生向下的垂直位移，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采動(dòng)覆巖垂直位移逐漸從采空區(qū)低位巖層向高位巖層演化。通過(guò)對(duì)有無(wú)4201 采空區(qū)的覆巖變形位移量對(duì)比分析可知：1）結(jié)合覆巖應(yīng)力變化云圖可以看出K5 是煤層上方第一次關(guān)鍵巖層，對(duì)4203 工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)起到重要控制作用；K6 作為整個(gè)工作面的主關(guān)鍵層，對(duì)工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)控制作用更加明顯。2）單一工作面與一側(cè)采空工作面采動(dòng)覆巖垂直位移演化特征一致，覆巖位移變化自下而上擴(kuò)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(wěn)定，充分開(kāi)采后，覆巖運(yùn)動(dòng)高度范圍及垂直位移變化量均達(dá)到最大。對(duì)比工作面一側(cè)采空前后，K5 巖層單一煤層開(kāi)采時(shí)垂直位移最大4.50 m，組合開(kāi)采時(shí)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(kāi)采時(shí)垂直位移最大1.50 m，組合開(kāi)采時(shí)垂直位移最大3.50 m，垂直位移提升了133.33%。

4 結(jié)論

該文利用FLAC3D 數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)有無(wú)一側(cè)采空工作面不同推進(jìn)距離下采動(dòng)覆巖應(yīng)力分布和垂直位移演化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下2 點(diǎn)結(jié)論：1）隨著工作面推進(jìn)，采動(dòng)覆巖應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力降低范圍不斷擴(kuò)大。單一工作面開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)左右對(duì)稱(chēng)；一側(cè)采空后，采動(dòng)覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)不斷發(fā)生變化，靠近采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力影響范圍逐漸增大，最終在工作面兩側(cè)覆巖應(yīng)力分布形態(tài)呈基本對(duì)稱(chēng)，但應(yīng)力大小不同的梯形。2）受采空區(qū)的擾動(dòng)影響，一側(cè)采空工作面煤層開(kāi)采時(shí)，在極大的應(yīng)力作用下，采動(dòng)覆巖垂直位移變化量產(chǎn)生較大的變化，關(guān)鍵巖層沉降量明顯增大。