不同埋深大采高综放采场围岩变形机理研究

刘 飞，马占国，韩永胜，夏青森

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)



不同埋深大采高综放采场围岩变形机理研究

刘 飞，马占国，韩永胜，夏青森

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

目的 厚松散层、薄基岩、特厚煤层地质条件下采场围岩控制是煤矿向西部开发亟需解决的难题之一。研究西部特殊地质条件下的围岩变形控制机理，对大采高综放工作面围岩控制具有实际的指导意义。方法 以不连沟煤田资源开采地质条件为背景，采用3DEC大型离散元软件，建立数值计算模型。结果 系统研究了工作面埋深对采场围岩的变形破坏规律和应力分布特征的影响规律，揭示了大采高综放采场围岩变形机理。结论 工作面中部围岩水平位移较小、垂直位移较大，两端头围岩水平位移较大、垂直位移较小；采场围岩水平应力峰值和垂直应力峰值随埋深逐渐增大，采场围岩的垂直应力峰值大于水平应力峰值。

厚松散层；大采高；3DEC；围岩变形

0 引 言

中国厚煤层资源十分丰富，其储量占总储量的45%。目前，煤炭是国内的主要能源，分别占能源生产和消费总量的76%和69%[1]。1982年国内开始推广厚煤层综放采煤技术，到1994年12年间已有28个矿物局60多个综放工作面投产，1997年间综放工作面已增加至92个，随着综采放顶煤技术的不断完善，该技术已经成为国内解决厚煤层开采难题和实现矿井安全高产的有效途径[2]。

厚松散层、薄基岩、特厚煤层采场高强度综放开采容易导致剧烈的矿压显现[3]和顶板灾害，给矿井安全带来一系列隐患。同时，大采高综放开采会导致地表变形移动幅度大、下沉明显，产生破坏地表植被、地层水系[4,5]等一系列环境影响。开展不同埋深大采高综放采场围岩变形机理研究，为矿井的生产安全和高产高效做一些技术准备。

1 工程地质条件

不连沟煤田位于鄂尔多斯黄土高原，呈典型的黄土高原地貌。以不连沟煤矿F6203工作面为工程背景，F6203工作面地形为西高东低中间洼，地表为黄土层，厚20.0～34.1 m，植被稀少，水土流失严重，冲沟发育,蛾家沟斜穿本面中部，沟内正常无流水，雨季最大过水量20 m3·h-1。

表1 工作面位置及井上下关系表

2 计算模型与方案

针对不连沟煤田基岩薄、煤层厚等特点，采用3DEC大型离散元软件[6-10]，建立三维采动岩体变形计算模型，分析工作面埋深[11-14]对采场围岩稳定性的影响。

2.1 模型建立与参数选择

(1)模型的建立

根据工程地质条件，建立综放工作面三维采动岩体变形计算模型：模型尺寸为长×宽×高=300 m×200 m×50 m，工作面布置及开采方式与现场实际相对应，工作面长×宽×高=240 m×100 m×16 m，两顺槽断面尺寸宽×高=5.5 m×3.7 m。模型边界条件为：限制侧向边界水平位移，底面边界限制竖向位移；根据等效载荷计算公式：q=γ×h，其中取γ=2.5 kN·m-3为岩层平均容重，h为基岩层厚度增加高度，并根据侧压系数给模型施加相应的水平应力。三维模型及节理网格划分如图1所示。

图1 三维采动岩体变形计算模型

(2)围岩物理力学参数选择

对现场所取煤(岩)块进行物理力学试验，性能参数见表2，试验结果表明采场围岩在受载压缩过程中的变形和破坏表现出弹塑性，符合弹塑性模型的应力应变关系，故本次数值计算采用摩尔-库伦屈服准则模型进行相关块体结构模拟分析，采用库伦滑移本构模型进行相关节理面分析。

本次数值计算模拟大采高综放开采，首先根据具体的工程地质条件建立数值计算模型，施加相应的应力和位移边界条件，然后进行模型初始平衡，使模型达到原岩应力状态，最后进行综放工作面顶板破断的相关计算。相关数值计算步骤大致为：建立模型→初始平衡→巷道开挖→巷道支护→模型平衡计算→工作面开采→模型平衡计算→结果输出。

表2 围岩物理力学性能参数

2.2 计算方案

采用单因素分析方法，设计模拟方案，分析工作面埋深对采场围岩稳定性的影响规律。数值计算方案见表3。

3 工作面埋深影响分析

表3 工作面埋深影响计算方案

工作面埋深决定了采场围岩中垂直应力的大小，垂直应力是影响采场围岩稳定性的主要因素。通过模拟工作面埋深为200、400、600、800、1 000 m 5种方案，对比分析工作面埋深对采场围岩稳定性的影响。

3.1 采场围岩变形规律研究

大采高综放工作面开采后，不同埋深采场围岩位移云图如图2和图3所示。

图2 不同埋深采场围岩水平位移云图

由图2和图3可以看出，不同埋深大采高综放工作面采场围岩位移云图特征相似。采场围岩水平位移特征：工作面中部围岩水平位移较小，两端头围岩水平位移较大，工作面开采后端头围岩形成砌体梁结构，块体B的左上角和右下角水平位移最大；采场围岩垂直位移特征：工作面中部围岩垂直位移较大，两端头围岩垂直位移较小，采场围岩垂直位移从工作面中部围岩向两端头围岩呈“倒圆台形”发展。

图3 不同埋深采场围岩垂直位移云图

图4 不同埋深端头围岩水平位移峰值

由图4可以看出，随着埋深的增大，端头围岩水平位移峰值呈增大的趋势；工作面埋深为200 m时，端头围岩水平位移峰值为2.52 m，工作面埋深为400 m时，端头围岩水平位移峰值为4.65 m，比埋深为200 m时增大了2.04 m，约增加了81%；工作面埋深为600 m时，端头围岩水平位移峰值为4.24 m，比埋深为200 m时增大了1.72 m，约增加了68%；工作面埋深为800 m时，端头围岩水平位移峰值为5.16 m，比埋深为200 m时增大了2.64 m，约增加了105%；工作面埋深为1 000 m时，端头围岩水平位移峰值为5.50 m，比埋深为200 m时增大了2.98 m，约增加了118%。

3.2 采场围岩应力分布特征研究

大采高综放工作面开采后，不同埋深采场围岩应力云图如图5和图6所示。

由图5和图6可以看出，不同埋深大采高综放工作面采场围岩应力云图特征相似。采场围岩水平应力特征：工作面中部围岩和区段煤柱水平应力较大，两端头围岩水平应力较小；采场围岩垂直应力特征：工作面中部围岩和区段煤柱垂直应力较大，两端头围岩垂直应力较小。两端头围岩区域的拉应力大于端头围岩的抗拉强度，两端头围岩区域处于拉破坏状态。

图5 不同埋深采场围岩水平应力云图

图6 不同埋深采场围岩垂直应力云图

图7 不同埋深采场围岩应力峰值

由图7可以看出，随着埋深的增大，采场围岩水平应力峰值和垂直应力峰值逐渐增大，采场围岩的垂直应力峰值大于水平应力峰值。工作面埋深为200 m时，采场围岩垂直应力峰值为9.82 MPa；工作面埋深为400 m时，采场围岩垂直应力峰值为17.59 MPa，比埋深为200 m时约增加了79%；工作面埋深为600 m时，采场围岩垂直应力峰值为27.11 MPa，比埋深为400 m时约增加了54%；工作面埋深为800 m时，采场围岩垂直应力峰值为38.47 Mpa，比埋深为600 m时约增加了42%；工作面埋深为1 000 m时，采场围岩垂直应力峰值为41.02 MPa，比埋深为800 m时约增加了7%。

工作面埋深为200 m时，采场围岩水平应力峰值为6.14 MPa；工作面埋深为400 m时，采场围岩水平应力峰值为6.97 MPa，比埋深为200 m时约增加了14%；工作面埋深为600 m时，采场围岩水平应力峰值为14.66 MPa，比埋深为400 m时约增加了110%；工作面埋深为800 m时，采场围岩水平应力峰值为18.13 MPa，比埋深为600 m时约增加了24%；工作面埋深为1 000 m时，采场围岩垂直应力峰值为24.90 MPa，比埋深为800 m时约增加了37%。

4 结 论

本文基于不连沟煤矿F6203工作面工程地质条件，采用3DEC大型离散元软件建立数值计算模型，分析了工作面埋深对采场围岩的变形破坏和应力分布特征的影响规律，得出以下结论：

(1)工作面中部围岩水平位移较小，两端头围岩水平位移较大，工作面开采后端头围岩形成砌体梁结构，块体B的左上角和右下角水平位移最大；工作面中部围岩垂直位移较大，两端头围岩垂直位移较小，采场围岩垂直位移从工作面中部围岩向两端头围岩呈“倒圆台形”发展。

(2)工作面中部围岩和区段煤柱水平应力较大，两端头围岩水平应力较小；工作面中部围岩和区段煤柱垂直应力较大，两端头围岩垂直应力较小。两端头围岩区域的拉应力大于端头围岩的抗拉强度，两端头围岩区域处于拉破坏状态。

(3)随着埋深的增大，采场围岩水平应力峰值和垂直应力峰值逐渐增大，采场围岩的垂直应力峰值大于水平应力峰值。

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[责任编辑：王荣荣 英文编辑：刘彦哲]

Mechanisms of Surrounding Rock Deformation with Different Buried Depths and Heights

LIU Fei1,2,MA Zhan-guo2,HAN Yong-sheng2,XIA Qing-sen1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China;2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Objective The control of the surrounding rock under the condition of thick unconsolidated layers,thin bedrock and extremely thick coal seam is one of the urgent problems to be solved in the development of coal mine to the West.The study on the control mechanisms of surrounding rock deformation under special geological condition in the west of China is of practical guiding significance to the control of surrounding rock of large mining height of fully mechanized top coal caving face.Methods Based on the geological conditions of buliangou coal mine,and using 3DEC large discrete element software,a numerical calculation model was established.Results The surrounding rock deformation and failure law and stress distribution characteristic of different buried depths of working face were systematically studied.Conclusion The results revealed the surrounding rock deformation mechanisms of the working face by large mining height of fully mechanized top coal caving:the surrounding rock in the middle of working face has small horizontal displacement,and larger vertical displacement;the surrounding rock at both ends of working face has large horizontal displacement,smaller vertical displacements;horizontal stress peak value and vertical stress peak value of stope surrounding rock increases with buried depth,and vertical stress peak value of the stope surrounding rock is greater than horizontal stress peak value.

thick unconsolidated layer;large mining height;3DEC;surrounding rock deformation

国家自然科学基金项目(51074163)；国家自然科学基金重点项目(50834005)；2015年宿州区域发展协同创新中心学生开放课题(2015SZXTXSKF10)

刘飞(1989-)，男，江苏宿迁人，宿州学院资源与土木工程学院教师，硕士，研究方向为地下工程结构。

TD 325

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.004