深井回采工作面覆岩运动及煤体应力分布规律

孙广义， 陶 凯， 陈 刚， 林井祥

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

深井回采工作面覆岩运动及煤体应力分布规律

孙广义， 陶 凯， 陈 刚， 林井祥

(黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 150027)

为保证深部开采矿井安全高效生产，根据东海煤矿32#右十一回采工作面地质资料，采用RFPA、ANSYS软件对深部回采工作面覆岩关键层运动规律及煤体内的应力变化情况进行数值模拟。结果表明，开采深度越大工作面覆岩关键层的破断距离越小，顶板周期来压步距越短;该工作面的周期来压步距为30 m左右，数值模拟与现场实测结果吻合;随着回采工作面的推进，高应力区向远离工作面的煤体内部移动，且煤柱上的高应力分布带移动量大于煤体上的移动量。该研究为矿井深部开采超前支护及冲击矿压防治提供了参考。

深井回采;覆岩运动;煤体应力;关键层;数值模拟

随着煤炭需求量的日益增加，煤矿深部开采成为世界上主要产煤国家目前和将来要面临的问题。我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有重点煤矿已开始转向或即将进入深部开采阶段［1］。根据开采经验，当矿井开采深度超过600 m时，会出现诸如矿山压力明显增大、瓦斯含量增高、地温升高［2］等一些特有的现象，而浅部开采的支护方式、采掘方法已不完全适用，故而给煤矿生产带来安全隐患，因此，亟需对深部开采条件下的工作面覆岩及煤体受力情况进行研究，以保证矿井安全高效生产。

东海煤矿32#右十一采煤工作面回采时的矿压显现明显区别于其他浅部矿井。笔者采用数值模拟与现场实际观测相结合的方法［3］研究了该工作面埋深1 050 m时上覆岩层的基本运动规律及煤体内的应力分布规律，为该矿深部开采超前支护及冲击矿压防治提供了依据。

1 工作面地质概况

东海煤矿 32#右十一采煤工作面面积为160 050 m2，采用走向长壁采煤法开采。煤层为向南倾斜的单斜构造，稳定，无褶皱，最大涌水量为1～2 m3/h。煤厚1.5 m左右，直接顶、直接底均为页岩。该区地质构造简单，开采范围内未预测到较大断层，仅在右十一路9#点后4.5 m处有一正断层，走向170°，倾角60°，落差上帮0.5 m，下帮0.3 m，对该工作面的开采影响不大。采煤工作面煤层顶底板柱状图如图1所示。

图1 32#层煤层顶底板柱状图Fig.1 Coal seam roof and floor column of 32#layer

2 关键层破断数值模拟及实测结果分析

2.1 关键层破断数值模拟

2.1.1 关键层位置

关键层计算公式［4－5］为

式中:q1(x)m——直接顶上方m层岩层对直接顶的载荷;

Ei——第i层岩层的弹性模量;

di——第i层岩层的厚度;

γi——第i层岩层的体积力。

根据式(1)及图1分析32#右十一回采工作面上覆岩层。设煤层上方第一层岩层(页岩)控制的岩层为m层，该岩层自身载荷为q1(x)1=70.3 kPa。考虑到第二层岩层(炭质粉砂岩)对第一层的作用，则第一层所受一、二岩层的载荷为q1(x)2=451 kPa。由此类推，第一层所受一～三岩层的载荷为q1(x)3= 456 kPa，所受第一 ～四岩层的载荷为 q1(x)4= 382 kPa。通过比较可知，第二、三层岩层对第一层岩层承受载荷有影响，第四层由于本身强度大、岩层厚，对第一层载荷没有影响，故煤层上方第四层坚硬岩层为该工作面的关键层，其破断与滑落失稳将对工作面矿压显现造成严重影响［6］。

2.1.2 数值模型

文中采用RFPA软件模拟工作面关键层破断情况。数值计算模型以实际地质概况及开采条件为依据，采用水平位移约束作为模型的边界条件，垂直方向上底部采用位移约束。考虑岩体自重应力可作为垂直方向顶部约束条件，故提取顶板试样进行力学性质测定(力学性质参数如表1所示)，经换算作为模型垂直方向上顶部位移约束条件［7］。

根据表1及相关约束条件，建立数值模拟计算模型。鸡西东海煤矿32#右十一回采工作面埋深1 050 m，煤层厚度1.5 m，分步开挖长度为1 m，为尽量减小边界影响，设置模型长度为200 m，高度为100 m，模型单元为200×100个，单元尺寸为1 m×1 m。

表1 32#层煤顶板岩石力学参数Table 1 Rock mechanical parameters of top coal of 32#layers

2.1.3 结果分析

已知煤层上方第四层岩层为关键层，模拟时将该层设为关键层。相同顶底板条件下开采深度及工作面推进距离不同时的顶板破断情况如图2所示。

由图2可以看出，埋深400 m的工作面推进到60 m时顶板跨落，其周期来压步距为60 m;埋深700 m的工作面推进到40 m时顶板跨落，其周期来压步距为40 m;埋深1 050 m的工作面推进到30 m时顶板跨落，其周期来压步距为30 m。可见，上覆岩层压力不同时，工作面顶板破断规律不同。上覆岩层压力越大，即开采深度越大，关键层破段距离越小，顶板周期来压步距越短。

图2 不同开采深度和推进距离时工作面顶板破断情况Fig.2 Working face roof broken section of different mining depth and adwance distance

2.2 实测结果分析

根据2011年8月－10月YHY60(B)型矿用数字压力计的监测结果，对东海煤矿32#右十一回采工作面上、中、下部测站支柱受力情况进行分析。每测站支柱平均每天受力情况见图3。

图3 工作面各部测站支柱受力曲线Fig.3 Stress curves of working face each station pillar

已知现场平均每天推进距离为6 m，结合图3可以看出，工作面周期来压步距为24～30 m，比潜埋工作面短。这是由于在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体进入深部后转化为高应力软岩，矿压显现强烈［8－9］，从而使深部老顶来压步距较浅部短。由RFPA模拟结果可知，32#右十一回采工作面周期来压步距为30 m左右，说明实验室数值模拟同现场观测结果是相符的。

3 煤体应力数值模拟

3.1 数值模型

为研究深部回采工作面周围煤体的应力分布规律，采用ANSYS软件进行数值模拟。根据东海煤矿32#右十一回采工作面地质条件，建立ANSYS有限元模型，模型长度、宽度均取300 m，厚度取500 m，巷道宽3 m，工作面长194 m，每次推进距离为20 m。

选用PLANE184(3D8节点单元)对几何模型进行有限元划分，煤柱及煤壁的单元划分如图4所示。

图4 煤柱及煤壁上的单元划分Fig.4 Unit of coal and coal pillar wall

3.2 结果分析

不同开采状态下，深部回采工作面周围煤体的应力分布如图5所示。

图5 不同情况下的煤体应力分布Fig.5 Stress distribution of coal mass under different conditions

由图可以看出，未受采动影响时煤柱所受压力不大，在开切眼惯通以后煤体上的高应力集中在切眼两侧煤体上(图5a);随着工作面向前推进，顶板悬露面积增大，作用在煤体上压力也增大，当煤壁上压力超过其承载能力时，煤壁边缘开始破坏，应力逐渐向煤体内部转移，并形成不断增大的集中压力，当开采20 m时煤柱上出现了高应力区(图5b)，工作面推进40 m时煤柱上高应力区迅速减小(图5c);随着开采的进行，工作面前方煤体破坏范围继续扩大，当开采距离达到60 m时，顶板完整性遭到破坏，煤柱上已无高应力区(图5d);而当工作面推进到80 m时，支承压力分布规律又与工作面推进20 m时相似(图5e)。

通过以上分析可知，随着回采工作面向前推进，煤体上的应力分布和煤柱上的应力分布情况均发生了变化，高应力区向远离工作面的煤体内部移动，且煤柱上的高应力分布带移动量大于煤体上的移动量。

从该回采工作面支承压力分布曲线(图6)可以看出，支承压力的影响范围很大，峰值很高，峰值区距回采工作面60 m。已知不同采深条件下，支承压力集中系数随采深的增加是逐渐减小的，说明随采深的增加，支承压力集中程度减小。这是由于在高应力作用下围岩被压裂、变软，从而造成高应力区范围变宽，内应力场范围也随采深增加而变宽［10］。

图6 回采工作面支承压力分布曲线Fig.6 Distribution curve of coal face support pressure

4 结束语

根据东海煤矿32#右十一采煤工作面的地质概况，借助RFPA和ANSYS数值模拟软件，研究了深埋煤层覆岩关键层的运动规律及煤体应力分布规律。RFPA数值模拟及矿压观测结果显示，工作面埋藏越深来压步距越小，东海煤矿32#右十一回采工作面的来压步距为30 m左右。ANSYS的数值模拟结果表明，随着回采工作面向前推进，高应力区向远离工作面的煤体内部移动，且煤柱上的高应力分布带移动量大于煤体上的移动量。深井回采工作面覆岩运动规律研究对工作面超前支护范围的确定、回采工作面及两巷动压的防治具有重要意义，为相似地质条件的工作面生产提供了参考。

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Law governing overburden movement and stress distribution of coal body in deep coal mine

SUN Guangyi， TAO Kai， CHEN Gang， LIN Jingxiang
(College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at ensuring the safe and high efficiency operation in the deep mine，this paper introduces the use of RFPA and ANSYS software for the numerical simulation of the laws governing the movement of key strata in overlying rock and the stress changes in coal body in deep mining faces，based on the geological data of 32#11 mining right face in Donghai mines.The results show that a deeper mining results in the smaller breaking distance of key strata in overlying rock and the shorter step of roof pressure cycle.The work face has the periodic step distance of about 30 m，as is shown by the consistence between the numerical simulation and the practical measurement.The advance of mining face results in the movement of the high stress area towards coal body away from work face，with a consequent greater movement in high stress distribution on coal pillar than on coal body.This study provides the reference for the deep mining retain and rock-burst prevention control.

deep mining recovery;overburden movement;coal stress;key layer;numerical simulation

TD325

A

1671－0118(2011)05－0368－05

2011－09－10

国家自然科学基金资助项目(51074068)

孙广义(1957－)，男，辽宁省辽阳人，教授，博士，研究方向:煤矿深部开采，E-mail:sgy8866@sohu.com。

(编辑荀海鑫)