综采工作面采动覆岩破坏形态与应力演化规律研究

赵国庆

（霍州煤电集团 河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 临汾 041000）

0 引 言

煤层回采工作面自开切眼到采空区初次来压期间，基本顶与老顶的应力发生卸荷，导致采空区周围出现明显的应力集中，而在回采工作面的推进过程中，煤壁前方的超前支承压力处于一个动态的变化过程，支承压力的显现特征通常通过支承压力的分布范围，分布形式以及应力峰值来表示。本文通过建立数值模拟模型，对煤层回采工作面前方煤壁的应力及塑性破坏进行探究，以获得回采工作面采动应力的分布特征及其演化规律，为工作面的安全生产提供理论基础。

1 回采工作面开采后应力重分布分布模型

地下煤体在开下之前，原岩体处于应力平衡状态，而煤炭的开采破坏了原岩应力的力学平衡状态，从而引起回采工作面周围岩体的增压与卸荷。随着工作面的向前推进，在工作面前方形成应力分区，根据切向应力大小可以分为增压区、减压区和稳压区。在煤层开采完以后，采空区上部岩层重量向采空区周围岩体转移，从而在采空区周围形成支承压力带。随着工作面向前推进，在煤壁前方形成超前支承压力，在工作面后方形成采空区支承压力，在倾向方向形成残余支承压力。而对于近水平煤层开采，工作面长度方向和推进方向 “压力拱”壳基本呈对称形态，覆岩内“压力拱” 主要有以下特征，顶板岩层破裂并在自重作用下逐渐冒落充填采空区, 岩体内应力达到一种新的平衡而不再移动。随着工作面的推进，又打破新的平衡，顶板岩层破裂继续充填采空区。岩体的移动就是这种 “破裂—平衡” 往复循环过程，直至形成一个整体的自稳状态。 压力拱线位于工作面覆岩弯曲带和采场周围未失稳煤岩体中，在工作面长度和推进方向上具有几何形态近似对称性。 压力拱拱壳存在于尚未断裂的覆岩中，拱高一般大于采动覆岩裂隙发育的最大高度。压力拱以内的岩体均受压应力作用，以拉应力为0 的曲线作为最低的“压力拱” 线。

2 矿井概况

杜家沟矿位于山西省河津市清涧街道办杜家沟村西北约3 km 处，井田面积9.89 km2，属高瓦斯矿井。现主要开采2 号、10 号煤层，矿井设计生产能力60 万t/a，开采水平为+1 010 m，杜家沟矿20101 回采工作面几何尺寸为走向长度960 m，倾向长度143 m，面积137 126.8 m2。煤层总厚3.15 ～4.0 m，平均厚3.55 m。20101 综采工作面位于杜家沟矿北五盘区，走向长1 128 m，采长236 m，平均采高4.8 m，可采储量147 万t，属于高瓦斯盘区，瓦斯治理难度比较大，工作面采用 “U 型” 通风方式。

3 数值模型建立及参数设计

数值模型尺寸为100 m×40 m×10 m，煤层顶板岩体成分组成主要为粉砂岩和泥砂岩，底板岩体成分组成主要为细粒砂岩和中粒砂岩。根据平面应力条件，在模型的前后、左右以及下表面采用应力约束，在上表面施加10 MPa 压力用来模拟上覆岩层重量，煤层顶底板具体物理参数自上而下依次是粉砂岩平均厚度17 m，密度2 540 kg/m3，抗拉强度3.8 MPa； 泥岩平均厚度10 m， 密度2 500 kg/m3，抗拉强度1.8 MPa；煤层平均厚度4 m，密度1 390 kg/m3，抗拉强度1.53 MPa；细粒砂岩平均厚度4 m，密度2 560 kg/m3，抗拉强度3.6 MPa；中粒砂岩平均厚度15 m，密度2 550 kg/m3，抗拉强度3.4 MPa。同时，在煤层覆岩布置29 个应力监测点以监测工作面前后方覆岩应力变化，其应力监测点位置如图1 所示。

图1 煤层顶底板岩性组成及应力监测点布置Fig. 1 Lithologic composition of coal seam roof and floor and arrangement of stress monitoring points

4 覆岩塑性区分布演化特征

图2 为工作面覆岩塑性区形态，从图中可以看出随着工作面的向前推进，采空区上方基本顶塑性区形态为拉破裂与剪破裂，说明基本顶的垮落原因主要是由于基本顶上部岩层重量所造成的拉剪混合破裂。在工作面前方的煤体破坏主要以剪切破坏为主。随着工作面推进，上覆岩层发生应力重分布，在回采空间上方形成压力拱结构，而该结构随着回采面的向前推进在不断失稳及重新形成，在上覆岩层形成一个稳定结构。

图2 覆岩塑性区分布Fig. 2 Distribution of overburden plastic zone

5 采动应力分布演化特征

图3 为工作面向前推进时切向应力云图，当工作面第一次向前推进时如图3 （a） 所示，可以看出在巷道周围出现了不同程度的泄压，上覆岩层的重量向工作面前后方深部围岩转移，而在工作面顶底板围岩出现了拉应力集中，说明顶底板容易发生拉破坏，在煤层开采的时候应采取相应的对顶底板的支护措施。随着煤层向前推进，工作面前方25 m 左右逐渐出现超前集中应力，如图3 （c）～图3 （d），当工作面推进25 m 时，在停采线后方同样出现应力集中，而工作面前方的集中应力逐渐向深部转移。随着工作面的向前推进，应力集中系数在逐渐变大，集中应力向围岩深部转移。通过切向应力云图可知应力拱结构随着工作面的推进逐渐向深部发育，使采场上方形成一个稳定的应力结构。

图3 回采工作面切向应力分布Fig. 3 Distribution of tangential stress in mining face

在FLAC3D 中调出29 个应力监测点的切向应力（图4），在工作面推进5 m 时，覆岩受采动影响应力均低于原岩应力，切向应力处于减压区范围，但应力曲线呈先减小后增大的趋势。当工作面推进10 m 时，覆岩进一步卸压，切向应力仍处于减压区。当工作面推进15 m 时，覆岩卸压至0，说明工作面后方切向应力为0 的监测点所处的基本顶均已垮落，由此可判断本煤层的初次来压步距为15 m 左右，此时覆岩切向应力曲线出现了明显的应力峰值。随着工作面进一步推进，应力为0 的区域进一步变大，曲线应力峰值变大且向深部转移。而在未充分采动时，超前支承压力变化较大，当充分采动时，超前支撑压力逐渐趋于稳定。

图4 覆岩切向应力Fig. 4 Tangential stress of overlying rock

6 结 论

（1） 以杜家沟矿20101 综采工作面为背景，通过建立FLAC3D 数值计算模型，在工作面推进5～30 m 期间得到了覆岩塑性区分布特征及切向应力演化特征，发现回采面后方基本顶垮落是由于岩层拉剪混合破裂造成的，而在切向应力云图中，一个稳定的“应力拱” 随着工作面推进逐渐形成。

（2） 通过调出覆岩切应力曲线，发现初次来压步距在15 m 左右，在未充分采动时，超前支承压力变化较大，当充分采动时，超前支撑压力逐渐趋于稳定，超前支承压力基本位于25 m 左右。