深部大采高综放工作面覆岩运移规律研究

文/孟 键

煤层开采过程中，覆岩的运移是导致采场矿山压力显现的根本原因。松散层是一种采动程度不同于基岩，具有一定流动性的松散介质，自身的承载能力很弱，因此在采场采动过程中，承载结构只能在较薄的基岩层中形成。一些学者对在厚松散层、薄基岩条件下，采场覆岩的结构特征及应力分布特点，对大采高及综放采场围岩应力演化规律，工作面超前支承压力分布规律、覆岩采动破断演化规律、顶煤活动规律进行了大量研究，并取得了一定成果。松散层的厚度影响着地表沉陷的深度与范围，但基岩的厚度对地表沉陷起到控制作用。

一、工程背景

图1 煤岩力学参数测试结果

山东新汶矿业集团龙固煤矿2301工作面平均开采深度为-864m，工作面走向长度为1620m，倾向长度为254m，工作面四周均为实体煤，煤层厚度平均为9.2m，割煤高度4m，平均倾角为6°，煤层硬度系数f=1.44，赋存较稳定。通过对2301工作面煤岩力学参数测试得到工作面煤岩力学参数，如图1所示。

二、数值计算模型建立

1.计算参数及材料属性的确定

模型中材料属性的选择主要依据煤岩力学参数测试的结果，如图1。模型中基岩采用Mohr-Coulumb模型，冲积层采用drucker-prager模型。

2.模型范围的确定及测线布置

为考察2301工作面采后上覆岩层及巨厚洪冲积层的运动变化规律，建立全地层完整模型。完整模型长2000m，高1000m。模型左边界、右边界及底部边界分别对其位移约束。在研究工作面上覆基岩变形垮落时，可以将巨厚冲积层以均布载荷的方式直接加载在基岩顶部，以此简化模型。简化后的倾向模型长450m，高180m，简化后的走向模型长600m，高150m，如图2所示。

图2简化后的数值计算模型

在巨厚洪冲积层、煤层及其顶底板中分别设置监测线。工作面开挖引起覆岩破断与运动，数值分析过程的时步虽不能与实际开采影响的时间过程相对应，但数值分析中不同时步的应力、位移结果反映了实际开采过程中岩层位移和应力的演化过程。

三、模拟结果分析

1.完整模型模拟结果

在UDEC完整模型中，2301工作面切眼位于X=500m处，不同开挖距离巨厚洪冲积层中监测线（冲积层底部）垂直应力如图3所示。

图3不同推进距离冲积层底部垂直应力

不同开采步距条件下，巨厚洪冲积层底部垂直应力变化规律一致，采动集中应力扩展至开采空间两侧，影响范围超过100m。在冲积层底部形成的应力集中系数为1.15左右，可以推断巨厚冲积层具有一定的自承载能力，但自承载能力不强。

2.2301工作面倾向模型模拟结果

2301工作面采后，直接顶及上覆岩层内倾向方向应力分布情况可以划分为：

（1） 原岩应力区 （X=0m～X=100m，X=500m～X=600m）；

（2）支承应力区（X=100m～X=150m，X=450m～X=500m）；

（3）应力释放区（X=150m～X=250m，X=350m～X=450m）；

（4）应力恢复增加区（X=250m～X=350m）。 3 煤直接顶中最大采动应力为40.4MPa，深入实体煤帮18m左右，最大采动应力集中系数为1.82，如图4所示。

图4 工作面覆岩垂直应力分布规律

工作面在开采过程中，随着顶板岩层的破断与下沉，顶板应力的向深部转移，上覆岩层产生纵向和横向裂隙。由于工作面倾角作用，工作面上端头顶板裂隙发育程度比下端头明显，且随着应力在倾向上向深部转移，裂隙也在倾向上向深处发育。工作面顶板裂隙发育情况如图5所示。

图5 工作面顶板裂隙发育状况

3.2301工作面走向模型模拟结果

2301工作面走向模型采用分步开采方式进行开采，不同开采步距采空区上覆岩层垮落变形规律如图6。

图6 不同推进距离工作面基本顶断裂状况

当工作面推进15m时，直接顶发生初次垮落，因此判断工作面直接顶初次垮落步距为15m，如图6(a)。随着工作面的推进，上覆基本顶与上覆岩层离层量加大，并且由拉应力作用产生的纵向裂纹增多，如图6(b)所示。当工作面推进40m时，工作面基本顶发生破断，破断形式呈V字形，由图6(c)可以推断工作面基本顶破断距离在35m左右，因此判断基本顶初次来压步距为35m。随着工作面的推进，当工作面推进60m时，工作面基本顶岩层垮落情况如图6(d)所示，图中可以看出基本顶发生3次明显破断，因此推断工作面周期来压步距为20m左右。

2301工作面基本顶中 （位于煤层上方8m处）监测线的垂直位移随工作面推进距离增加的变化曲线如图7所示。随着工作面的推进，基本顶下沉量不断增大，当工作面开采距离为40m时，基本顶最大下沉量达到了6.7m，这表明在40m的范围内，基本顶发生了垮落；当工作面开采距离达到150m时，基本顶的下沉量不再增加，因此可以判断，在工作面开采至150m的范围内，后方采空区已趋于稳定。

图7不同推进距离基本顶垂直位移变化曲线

四、结论

综合上述分析结果可以得到以下结论：

1.厚冲积层底部最大垂直应力集中应力系数约为1.15，在采动卸荷作用下发生了拉伸变形，塑性区呈斜上方发育趋势，运动变形中具有整体性——整体下沉，整体被压实，整体承载。

2.采空区覆岩裂隙按一定破断角向上逐层发展，且煤层倾角作用下，倾向上裂隙发育不对称，煤壁正上方覆岩由于弯曲变形较大，此区域裂隙场不发育。

3.工作面直接顶初垮步距为15m，基本顶初次破断步距约35m，周期破断步距约20m。

4.随着工作面回采，覆岩破坏区域的扩大，采动应力峰值及其影响范围越来越大；工作面前方最大应力集中系数达2.6，最大影响范围达80m。