深部开采覆岩应力变化规律模拟实验研究

徐连满，潘一山，李忠华，王爱文，耿 琳

（辽宁工程技术大学 力 学与工程学院，辽宁 阜 新 1 23000）

0 引言

近年来，我国煤炭开采以每年10m左右的速度向深部延伸，未来10年内，我国将有相当数量矿井进入深部开采。随着煤矿开采深度逐渐加深，煤矿事故频频发生，不仅造成了大量人员伤亡、经济损失，同时还显著地影响了包括煤炭行业在内多个行业的快速发展。深部开采不同于浅部开采［1-4］，煤岩的力学性质在高温和高地应力的作用下发生变化，使得岩体组织结构、基本力学行为特征和工程响应与浅部明显不同，覆岩破坏表现形式也发生改变，通常在破坏之前变形量特别小，无明显前兆，破坏规模增大，给预测预报工作带来很大困难，因此研究采动过程中覆岩的应力变化规律，覆岩采动破坏特征，可为防治局部动力灾害，合理布置巷道和支护提供重要依据。相似材料模拟实验，可直观的监测到煤层开采过程中上覆岩层的破坏规律［5-9］。本文依据某深部矿井地质资料，建立相应的相似材料实验模型，对覆岩破坏规律及覆岩应力变化规律进行研究。

1 模型建立

选取某矿20180工作面外段属戊9与戊10煤层合层区为模拟实验对象。戊9工作面煤层平均厚度4.23m，采高为2m，埋深700～960m，工作面有效走向长度915m，倾斜长203.58m，工作面推进速度为4m/d。

戊9工作面顶部有0.7m左右块状硬煤，下部为软煤，属薄～中厚煤层，赋存比较稳定，直接顶为砂质泥岩，厚度 1.2～8.0m，平均厚度为 3m，其上为1.02m戊8煤层，戊8煤层顶板为平均厚度1.2m的砂质泥岩，其上为平均厚度12m的中粒砂岩。戊10工作面底板为0.2～3.0m的砂质泥岩，再下为大于10m的砂质泥岩。根据实验条件对地层赋存情况进行合理的简化，上部松散层采用补偿压力予以表征。

为了更好的模拟上覆岩层随工作面推进的破坏特征和覆岩应力变化情况，并综合考虑试验的经济条件及加载条件等因素，选取几何相似常数αL=200。

（1）几何相似

式中：αL——长度相似常数；

LH——原型长度（m）；

LM——模型长度（m）。

（2）运动相似

式中：αt——时间相似常数；

tH——原型运动所需时间（s）；

tM——模型运动所需时间（s）。

（3）物理相似

物理力学指标要全部满足相似比很难做到，根据要解决的问题需要，故选用强度指标（压应力和拉应力做为主要指标）。

式中：ασ——应力相似常数；

σH——原型应力（MPa）；

σM——模型应力（MPa）；

实验采用的平面模型架的几何尺寸为2.5m（长）×0.3m（宽）×2 m（高），相似模拟材料骨料选用石英砂，胶结物选用石膏与石灰，分层材料用云母，根据各岩层的力学参数选择相应的配比［10-11］。通过加载系统模拟现场采深500m以上的采场岩体自重。采用压力传感器对开采过程中煤层顶底板的应力变化情况进行监测。共布置3排15个压力传感器，第1排6个传感器位于煤层底板2.0m处，第2排5个传感器位于煤层顶板6m处，第3排位于煤层顶板50m处，压力传感器的布置见图1。

图1 模型测点布置图Fig.1 Layout plan of test model measuring points

2 实验过程

（1）考虑到边界效应，距离模型一侧边缘40cm处开挖开切眼，然后进行开采工作。

（2）每隔1.7h（实际24h）开挖一次，割煤高度2m，深度4m。每开挖一步后，记录开挖距离、覆岩的垮落高度、裂隙（破断以及离层）的分布规律、各应力测点的应力值，并重点记录下直接顶初次垮落、老顶初次垮落、老顶周期垮落时开挖距离与时间。

3 实验结果分析

采煤工作面在推进过程中，由于煤层的开挖，上覆岩层发生弯曲下沉、离层、垮落，使采场覆岩内应力发生变化。以应力集中系数K（煤层现在应力与原始应力之间的比值）来定量描述采动过程中顶底板应力的动态变化规律。

3.1 覆岩垮落规律

随着煤层的开采，靠近采场区域内的上覆层开始弯曲。工作面推进21m时，直接顶初次垮落，当工作面推进25m时，直接顶发生二次垮落，采空区上方形成长岩梁。当工作面推进35m时，岩梁中部出现破断裂隙，老顶初次垮落，没有顶板切落和台阶下沉现象（图2）。

图2 老顶初次垮落时覆岩破坏情况Fig.2 Dam age of Overburden when main roof first collapse

图3 开采结束后覆岩破坏情况Fig.3 Dam age of Overburden after mining

工作面继续推进到51m时，顶板出现首次周期性垮落；此后随着工作面的继续推进，顶板呈周期性垮落，垮落步距为12～16m。垮落岩层距离煤层顶板高度为9.2m，基本顶岩梁运动形式为缓慢下沉。工作面开采结束，覆岩破坏情况见图3，覆岩垮落开切眼一侧岩层滑移角为34°，工作面一侧的岩层滑移角为 36°。

从实验结果可以分析得到深埋煤层开采覆岩活动基本规律：工作面初次来压步距较长，周期来压步距较短，步距为初次来压步距的1/2，冒高采厚比为1∶4.6，比浅埋煤层要大。

掌握深埋煤层工作面覆岩活动规律，为深埋煤层覆岩活动及矿压控制理论体系的形成提供了可靠的理论指导，为解决深埋煤层开采过程中生产技术及安全问题提供理论依据。

3.2 底板应力变化

随着工作面推进，煤层底板支承压力是动态变化的，采煤工作面底板各压力测点的压力区范围及应力集中系数分布（表1）。

表1 煤层底板压力区分布Table 1 Distribution of coal floor pressure area

煤层开采对底板支撑压力的影响可以分为5个区域：

（1）未受采动影响区：该区域远离工作面，受采动影响较小，因此底板岩层处于原岩应力状态，距工作面前方40m远以外。

（2）应力增高区：此区受采动影响剧烈，位于工作面前2～40m处，峰值点位置随工作面推进不断前移，距工作面距离5.6～8.2m，平均为6.6m，峰值应力集中系数平均为1.88。

（3）应力降低区：采空区上覆岩层压力传递到采场周围煤体和冒落的矸石上，工作面前2m到工作面后约15m范围内处于卸压状态。

（4）应力恢复区：由于工作面的推进、覆岩的不断垮落，采空区后方矸石逐渐压实，底板应力略有恢复。位于工作面后约15～40m区域内。

（5）应力稳定区：矸石被压实，应力趋于稳定，该区域位于工作面后40m至切眼处。该区域平均应力集中系数0.56。1#测点距开切眼较近，在煤壁支撑作用下，形成一个支承压力较小的区域，该区域平均应力集中系数0.42，距离切眼约53m的范围之内。煤层底板的应力集中系数变化规律如图4所示。

了解开采过程中开采层底板应力分布规律，对科学设计底板巷道位置、确定保护层的保护界限、多层煤同时开采时工作面的合理错距，以及预测和防治底板突水都有重要的现实意义。

表2 煤层顶板压力区分布Table 2 Distribution of coal roof pressure area

3.3 顶板应力分布规律

3.3.1 顶板6m处应力变化规律

采煤工作面顶板6m处各个测点的压力区范围及应力集中系数分布见表2。

顶板的应力是不断变化的，对于顶板上一点来说，工作面的逐渐临近，该处应力逐渐增大，当工作面接近一定距离时，应力增大到最大值；随着工作面继续推进，应力值不断减小；进入采空区，应力下降为最小值；工作面的不断向前推进，覆岩不断垮落、压实，应力随着增大并逐渐趋于稳定值。与采空区底板应力分布规律相类似，采空区覆岩应力分布也分为同样五个区域：

（1）未受采动影响区：该区域受采动影响较小，顶板岩层基本处于原岩应力状态，距工作面前方平均31m远以外。

图4 底板应力集中系数变化图Fig.4 Ffactor of stress concentration of bottom p late

（2）应力增高区：煤层开采，采空区形成，工作面前31m至工作面后5m区域应力增高，峰值位置距工作面大约5.2m，峰值应力集中系数平均为1.51。

（3）卸压区：此时测点所在区域上覆岩层已经垮落，位于工作面后约5～10m范围采空区冒落的矸石未压实，处于卸压状态。

（4）压力增长区：随工作面推进测点所在位置上方覆岩周期性垮落，采空区矸石逐渐压实，冒落岩层应力略有恢复，此区域位于工作面后约10～35m范围内。

（5）压实区：采空区矸石被压实，冒落岩层应力趋于稳定。该区域平均应力集中系数0.64。此区域位于工作面后约35m至开切眼处。各个压力测点实测采动过程中的应力集中系数如图5所示。

图5 顶板6m处应力集中系数变化图Fig.5 Factor of stress concentration located 6m from the top p late

沿工作面推进方向将上覆岩层划分五个区域，为确定的巷道超前支护长度、选用支架类型及强度，和采空区适应的瓦斯抽放方法和合理的抽放参数提供了理论依据和安全保障。

根据该实验得出的实验覆岩应力变化规律结合相关理论，确定该矿20180工作面回采巷道超前支护长度为45m可满足安全生产的要求。由于该煤矿为高瓦斯矿井，卸压区裂隙较为发育，丢煤和卸压区邻近层解吸瓦斯，几乎全部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风巷，对回风巷瓦斯浓度有很大影响，对回风巷瓦斯抽放需考虑此因素影响；压力增长区瓦斯流动速度明显下降，瓦斯部分进入工作面，流动呈现出不均衡性；压实区远离工作面，空隙度较低，漏风流很小，遗煤仍在解吸瓦斯，因此瓦斯运移较难，瓦斯浓度呈增大趋势，需采用钻孔抽放法或埋管抽放法对该区域瓦斯进行抽放，以防采空区残煤自然发生火灾或瓦斯爆炸。

3.3.2 顶板50m处应力变化规律

距离煤层顶板50m高处的只是受到轻微的采动影响，工作面前方的支撑压力集中系数变化很小，见图6，应力集中系数最大为1.3。由于采空区上覆岩层垮落后有离层存在，垮落后的应力集中系数相对煤层底板与顶板6m处的应力集中系数变化较小。

图6 顶板50m处应力集中系数变化图Fig.6 Factor of stress concentration located 50m from the top p late

对覆岩竖直方向应力变化规律的研究，可为上层覆岩中开挖巷道提供理论依据。本次试验在顶板50m高处设置的应力传感器测到的应力变化有微小变化，因此在离顶板50m以内的范围内修建巷道，岩体是不稳定的，需采取加固措施，保证工程安全。

4 结论

（1）工作面推进21m时，直接顶初次垮落；工作面推进35m时，老顶初次垮落；工作面推进51m时，顶板开始出现周期性垮落，顶板周期性垮落步距为12～16m。

（2）下覆岩层的压力随着煤层开采而发生动态变化，可将其划分为五个区域：未受采动影响区、应力增高区、应力降低区、应力恢复区、应力稳定区。

（3）煤层开挖过程中，底板的超前支撑压力影响在工作面前40m，压力峰值位于工作面前6.6m，顶板的超前支撑压力影响在工作面前约31m，压力峰值位于工作面前5.2m。

（4）采动对于煤层上方的上覆岩层支承压力的影响，随着远离煤层，其影响逐渐减小。

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