石沟驿矿区综采工作面采动应力分布规律研究

魏阳

摘要：地下矿产资源开发势必会打破底层内部原有应力平衡，矿石采出后空区顶底板与两帮失去支撑后，应力向空区外侧转移集聚。空区临近岩体失去侧向约束，变为二向受力状态，导致岩体的承载能力的下降，这是导致围岩破坏的根本原因[1-3]。煤矿由于其开采具有较高的机械化，且回采速度快，导致采动应力变化更加剧烈，掌握与工程地质、采掘工艺相匹配的地压释放、转移规律对于确保采准工程稳定具有重要工程意义。

Abstract： The development of underground mineral resources is bound to break the original stress balance in the bottom layer. After the ore is mined， the top and bottom plates and the two gangs lose their support， and the stress transfers to the outside of the empty area. The adjacent rock mass in the empty area loses lateral restraint and becomes a two-way force state， which leads to a decrease in the bearing capacity of the rock mass， which is the root cause of surrounding rock destruction[1-3]. Due to the high mechanization of mining and the rapid recovery speed of coal mines， the mining stress changes more drastically. Mastering the rules of ground pressure release and transfer matching with engineering geology and mining technology is of great engineering significance to ensure the stability of mining projects.

关键词：采矿工程;采动应力;数值模拟;地压

Key words： mining engineering;mining stress;numerical simulation;ground pressure

中图分类号：TD323                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）20-0148-04

1  石沟驿矿区煤层地质简介

石沟驿矿区现有石沟驿煤矿和高闸煤矿两对矿井，该矿区位于宁夏区，在灵武市白土岗乡境内，矿区共见煤6层（2、未、3、4、5、6煤），其中6煤为主采煤层，煤层厚2.23～2.95m，平均厚2.51m，為中厚煤层，结构简单，其中下部有一稳定夹矸，煤类为长焰煤，整个矿区煤层均为可采稳定煤层。

2  数值模型建立

2.1 模型尺寸与边界条件

本文以石沟驿煤矿S136综采为工程背景，采用FLAC3D建立与实际工程相匹配的数值模型，研究开采期间的地压活动规律。模型高度357m，沿倾斜宽720m，沿走向长1000m。取平均煤层倾角16.5°，煤层厚度2.5m。三维模型一共包含276900个结点，大约有255000个三维单元，三维计算模型网格图如图1所示，模型底面限制垂直移动，模型侧面限制水平移动，模型上部至达地表。

参考宁夏石沟驿煤矿S136煤层埋藏深度（H=200～300m）和平均岩体容重（γ=2300kg/m3）推算，分析随着深度线性变化，矿区内垂直应力的相应变化。构造应力的影响不容忽视，以垂直应力为基准，沿煤层倾向上的水平主应力应为其数值的1.2倍（σx=-2.76～5.28MPa），沿走向方向的水平应力应为该数值的0.8倍（σy=-1.84～5.52MPa）。

2.2 力学模型与参数

参考相关资料可知，在载荷达到屈服极限的情况下，之后岩体，在塑性流动期间即使发生变形，也会保持一定的残余强度。基于此，采用理想弹塑性本构模型进行计算，即莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏：

■  （1）

式中，c表示粘结力;φ表示摩擦角;σ1、σ3代表最大和最小主应力。在充分考虑各参数及试验数据的基础上，模拟计算采用的岩体力学，同时进行了适当折减，具体参数见表1。

采空区围岩垮落后，所形成的材料具有一定的特点，即不可逆压缩变形和宏观连续，在各向同性压力作用下，垮落矸石会形成永久性体积缩小，同时出现应变硬化问题。为解释这种行为，可用体积硬化模型来进行描述。综采期间，采空区的矸石会随着作业的不断推进而随之冒落。久而久之，在覆岩作用下矸石会逐步被压实，随着时间t的增加，泊松比υ、弹性模量E、材料的密度ρ都会相应增加。参考相关资料发现，可用以下经验公式表述v、E和ρ的变化规律：

■（2）

■（3）

■  （4）

式中， 时间t是以年为单位的。分析式（2）～（4）可知， 随着时间增加，ρ、E和v会逐渐增长，直至达到恒值。

2.3 计算过程

对于石沟驿S136工作面煤层来说，影响采矿工程的力学特点的因素有很多，比如开采过程、开采历史及岩体力学行为等。应依照步骤进行如下计算，如此方能正确模拟出该煤层开采引起采场围岩应力分布情况。

①给定边界与位移条件下模型的初始状态计算;

②模拟开掘S136回风巷和运输巷;

③分步模拟开采S136工作面煤层。

3  综采煤层应力场特征

3.1 综采煤层应力分布

基于上述数值模型，按照回采进度进行回采模拟，得出S136综采面煤层内的应力集中程度和分布形式随工作面位置变化的采动应力分布规律。

总体上，工作面回风巷以上，其分布范围相对较窄，且应力较低;运输巷应力最高可达22MPa，特点是应力高且分布广。如图2所示，工作面前方支承压力峰值作用位置走向上距离工作面约5.3m，最大垂直应力值是原始应力的2.8倍，约17.6MPa。

■

分析图3～图5可知，应力最集中的部位是工作面顺槽两侧5m处。支承压力最大的部位是采面下部，采面中部最小，采面上部的支承压力处于两者之间。

■

在工作面后方，采空区内部是低应力区，距采面9.5m范围内，垂直应力的变化较小，且随着采面距离的不断增加，垂直应力会保持在1.5MPa的水平。随着工作面远离，侧向煤体边缘压力峰值的变化也会越来越小。

3.2 综采煤层破坏区分布

受到诸多客观因素的影响工作面煤体边缘会发生一定变化，比如应力集中作用及工作面开采等。综采面煤层周围破坏区分布图如图7～图14所示。工作面前方3.7m范围内的煤体，均为破坏状态，其主要破坏形式为剪切破坏。

4  采场围岩力学场特征

4.1 沿工作面走向围岩应力场特征

沿工作面走向方向，在工作面前方5.3m范围内，工作面中部岩体、煤壁的应力均较低，最大主应力峰值发生在煤壁前方5.3m处，该数值最高可达18.3MPa。

综合多项参数发现，应力的峰值通常在工作面前方相同的位置。工作面前方煤层和顶板岩层剪切破坏问题时有发生，究其原因主要是剪应力变化梯度大，未实现合理控制。

4.2 沿工作面走向围岩破坏场特征

工作面直接顶、煤层和煤壁前方几乎所有的围岩都发生屈服破坏。与工作面上部围岩相比，工作面中下部和工作面前方的破坏程度更为严重。由于工作面前壁上方直接顶板在支护压力作用下发生压剪破坏，塑性区宽度为6m。老顶岩体沿走向破坏位置在工作面中部支架尾梁上方，对于工作面来说，老顶断裂和来压对其的影响并不大。

从工作面不同部位围岩的应变状态可以看出，工作面前方煤壁的剪切应变率和体积应变率很高，不同于正常介质和坚硬煤层，工作面后方放顶煤区的剪切应变率和体积应变率急剧增加，其中上部岩体的体积膨胀较小于下部岩层。

4.3 沿工作面走向围岩位移场特征

综采工作面支架上方岩体和工作面煤壁具有较大的水平位移，尤其是在工作面煤壁附近水平位移量达到最大，最大位移量为21.7mm。该部位极易造成煤壁片帮和端头冒顶事故，是采煤工艺和支架设计过程中需要维护的重点部位。

在工作面附近，由于上下巷的埋深不同，因此靠近上巷的工作面上方岩体竖向位移小于靠近下巷的工作面上方岩体竖向位移。冒落矸石运移会一定程度上影响工作面中部的上方岩层的垂直位移，其明显大于工作面两侧的上方岩层（图6）。

4.4 沿工作面倾向围岩应力场特征

就沿煤层倾斜剖面而言，随着距采面距离的不同变化，采场围岩的应力分布也会发生相应变化。在综采面上部覆岩中存在应力拱结构，拱高约51m，上拱脚最大主应力为16MPa，位于沿煤层倾向工作面上部煤层和直接顶中;下拱脚最大主应力为18MPa，位于沿煤层倾向工作面下端煤层和附近底板岩层中。层倾斜剖面上工作面煤层在煤均处于低应力状态，靠近下巷的应力壳的应力值由于埋深的原因大于上巷附近的应力值。在距工作面前方5m处，应力壳内部的低压力区范围减小，在距工作面前方10m处，覆岩中应力拱结构消失。

从工作面前方5m处沿煤层倾斜剖面的垂直应力、水平应力和剪应力分布等值线图可以看出，在工作面的上回风巷、下运输巷附近聚集很高的垂直应力、水平应力和剪应力，这是造成上回风巷、下运输巷附近围岩破坏和变形的重要原因。

4.5 沿工作面倾向围岩破坏场特征

随着接近工作面，倾斜剖面上岩体的破坏区从不断向上扩展，在煤壁前方5～10m范围，破坏区主要集中在工作面上方岩体中，底板有一厚约4m的剪切破坏带，到工作面上方，破坏区扩展至煤层上方56m的范圍，是煤层厚度的20倍左右，大致与应力壳的范围相同。

4.6 沿工作面倾向围岩位移场特征

在沿煤层倾斜剖面上，工作面上方覆岩的变形主要表现为垂直于工作面的下沉运动，底板岩层表现为移向工作面空间的底鼓。总体上，随着距离工作面的接近，围岩变形量不断加剧，在工作面处，煤层上方岩体最大下沉量为69.4mm。在本工作面超前剧烈影响范围内，工作面中下部覆岩在垂直方向的下沉运动明显增大，但最大下沉量依然发生在工作面中部偏下处。

5  采场巷道力学场特征

5.1 采场巷道应力场特征

图7～图14给出综采工作面上运输巷两帮及顶底板的应力变化过程。结果表明：工作面回风巷两帮及顶底板煤岩中应力最突出的特点是：两帮岩层中的水平应力在离工作面很远处就具有较高的应力值，随着工作面距离的缩小缓慢升高，在工作面前方5m左右达到峰值，回风巷最大应力出现在下帮，最大水平应力为3.5MPa，最大垂直位移为9.3MPa;运输巷两帮水平应力相近，最大水平应力约为12.3MPa，最大垂直应力出现在下帮，大小为9.3MPa。因此，在运输巷下帮以及靠近下帮侧的顶板是破坏易发生区，应加强支护。

5.2 综采面顺槽围岩位移场特征

巷道围岩变形是围岩内应力释放和受工作面采动影响综合作用的结果。同时也有因环境因素变化（地下水的渗流等）使煤岩物理力学性质改变而产生的效应。图15～图18是在准静态力学条件下距工作面不同距离处回风巷和运输巷围岩垂直位移场。上述变形数值在工作面出最大，并随着与工作面距离的增大逐渐减小，距工作面100m左右趋于稳定。

回风巷顶板与两帮变形显著高于运输巷（表2），通过回归得到S136综采面上巷道围岩相对位移量与距工作面距离的关系表达式（5）～式（8）：

回风巷两帮：

■（5）

回风巷顶底板：

■ （6）

运输巷两帮：

■ （7）

运输巷顶底板：

■（8）

6  结论

本文以石沟驿煤矿S136综采工作面为工程背景，采用FLAC3D建立与实际工程相匹配的数值模型，对综采过程中煤层、围岩内部压力的释放、转移规律进行了研究，确定了石沟驿矿区综采工作面运输巷、回风巷关键部位的应力集聚程度以及变形发展规律，为石沟驿矿区的煤矿采准支护与安全设计提供了关键依据，对石沟驿矿区的煤矿开采具有重要的指导借鉴作用。

参考文献：

[1]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.

[2]宁煤集团石沟驿煤矿S136工作面回采作业规程.

[3]王树仁，王金安，戴涌.大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理的离散元分析[J].北京科技大学学报，2005，27（1）： 5-8.