综采工作面采动覆岩破坏形态与应力演化规律研究

邸晟钧，张少彦，曹 勇，薛 磊

(1.山西焦煤集团公司 技术中心， 山西 太原 030024； 2.山西登福康煤业有限公司， 山西 临汾 041000； 3.山西西山矿业管理有限公司 钻探分公司， 山西 太原 030053)

顶板事故是煤矿主要事故类型之一，随着煤矿开采深度的加深，开采强度的加大，工作面推进过程中往往会出现更明显的矿压显现现象，严重威胁着矿井的安全生产。因此，通过对矿井采动覆岩应力场进行研究，为井下支护、回采工程提供理论基础具有极其重要的意义。

对于采动覆岩应力场分布规律，国内外学者进行了大量的研究，尹光志等[1]通过自主研发的多物理场耦合大型模拟实验系统，采用实验的方法分析了不同开采条件下上覆岩层应力分布情况，揭示在煤矿开采影响下，覆岩裂隙演化规律。鲁海峰等[2]采用岩体力学相关理论建立煤层开采覆岩应力分布模型，分析在开采过程中上覆岩层应力变化情况，精准预测煤层顶底板破坏位置。于斌[3]采用理论分析、试验研究以及数值模拟相结合的方法揭示大同矿区特厚综采煤层开采过程中矿压显现特征，为煤层顶板支护、支架选型提供理论依据。林海飞、李生舟[4, 5]基于Flac3D软件进行采动覆岩破坏规律数值模拟研究，分析采动影响下覆岩渗透率破坏规律，研究卸压瓦斯运移特征，为采空区瓦斯治理方式的优选提供基础。蒋金泉等[6]为了分析断层对采动应力分布的影响，采用三维数字模拟的方法，建立断层影响下采动覆岩应力数值模拟模型，分析工作面与断层相对位置对采动覆岩应力场的影响。樊晓飞[7]采用理论与数值模拟相结合的方法分析采动影响下煤层巷道变形情况以及围岩各向应力的分布特征。

以屯兰矿12507工作面回采工程为研究背景，采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件，进行采动覆岩应力场演化规律分析，为该工作面采煤及支护工艺的选择提供理论基础。

1 工程背景与数值模拟方法

12507工作面位于屯兰矿南五盘区，主采煤层为2#、3#煤层，开采厚度平均为4.57 m，走向长度1 644 m，倾向长度220 m，采用综合机械化后退式一次采全高方法进行开采，全部垮落法管理顶板。东邻12505工作面(已形成回采工作面)，西为南五盘区左翼未布置工作面，南邻富开洗煤厂保护煤柱，北邻南五盘区大巷。工作面地表北东为对坡村(已拆迁)，南东为富开洗煤厂，南西为东大岭村，北东为南沟，区域地表以山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横，上覆岩层厚度433～586 m，顶底板主要以粉砂岩、炭质泥岩和细砂岩为主(表1).

表1 煤层顶底板情况表

为分析屯兰矿12507工作面采动覆岩应力场演化规律，采用COMSOL Multiphysics软件建立三维数值模拟模型，模型尺寸400 m×400 m×150 m，由于煤层平均倾角3°，可将模型进行水平处理，部分上覆岩层的作用等效为均布荷载，荷载大小为10 MPa. 模型各岩层物理力学参数见表2.

表2 模型各岩层物理力学参数表

2 采动覆岩破坏规律

工作面推进30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m时，上覆岩层塑性区分布规律见图1.由图1可以看出，当工作面推进30 m时，煤层顶底板位置处均发生了小范围破坏，此时塑性区域仅分布于采空区周围。随着工作面的推进，上覆岩层塑性区不断由煤层顶板向上发育，当工作面推进180 m，塑性区的破坏范围已经发育到距煤层顶板55 m范围处。在工作面回采过程中由于采空区边缘的煤柱影响，该处一直处于应力集中状态，所以在采空区边缘处塑性区发育最高，而采空区中部塑性区较为不发育，在整个回采过程中采动覆岩塑性破坏区形状呈马鞍状。

图1 工作面推进不同距离上覆岩层塑性区域分布规律图

3 采动覆岩应力演化规律

工作面推进不同距离走向应力分布见图2. 由图2可以看出，随着采掘工程的进行，围岩应力重新分布，在煤柱的影响下采空区边缘发生了明显的应力集中现象，而在采空区中部会出现卸压现象。随着工作面的回采，采空区边缘应力集中现象变得更加明显，而采空区中部覆岩卸压区域发展高度也逐渐变高。

图2 工作面推进不同距离走向应力分布图

工作面推进不同距离时煤层底板沿走向应力分布见图3.由图3可以看出，走向应力近似于对称分布，采空区边缘出现明显应力集中现象，且随着采煤工作面推进距离的增加，采空区边缘应力集中现象越明显。采煤工作面推进30 m，采空区边缘应力峰值为16.1 MPa，当采煤工作面分别推进60 m、90 m、120 m、150 m、180 m，采空区边缘应力峰值分别增至16.1 MPa、17.5 MPa、21.1 MPa、24.1 MPa、26.8 MPa、29.0 MPa，以推进30 m为基准，采空区边缘应力峰值增加了8.7%、31.1%、49.7%、66.5%和80.1%.

图3 工作面推进不同距离沿走向煤层底板应力分布图

4 采动覆岩卸压区形态分布规律

工作面推进不同位置距离煤层顶板10 m处岩层应力分布见图4.由图4可以看出，采空区正上方覆岩出现了一圈应力增高区，该区域的形状可近似认为圆角矩形，在回采初期走向集中应力高于倾向集中应力，随着采煤工作的进行，短边效应影响消失，采空区四周应力峰值大小相等。采空区中部上方对应覆岩出现明显应力降低现象，但由于受四周煤柱影响，采空区边缘对应上覆岩层也会出现较小的应力集中现象，应力集中系数为1.8.

图4 工作面推进不同位置距离煤层顶板10 m处岩层应力分布图

5 结 论

1) 随着采煤工程的进行，屯兰矿12507工作面采空区上覆岩层破坏区域不断变大，且沿走向采动覆岩塑性破坏区呈中间下凹两端凸出的马鞍状，当推进180 m时，塑性区发展到距煤层顶板55 m范围处。

2) 在采煤过程中，围岩应力重新分布，受到煤柱的影响采空区边缘发生明显的应力集中现象，当工作面推进180 m时，采空区边缘煤柱应力峰值达29.0 MPa，较工作面推进30 m时，应力值增加80.1%.

3) 采空区上覆岩层应力集中区域呈圆角矩形，回采初期倾向应力相对较小，随着工作面推进，短边效应消失，采空区四周应力峰值大小相等。