樊 娟，張文忠

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710054)

關(guān)于煤層開采后，覆巖形成的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有很多學(xué)者從不同方面提出不同的模型。如:錢鳴高教授［1］提出的覆巖“砌體梁”結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵層理論;李增琪［2］、張華興等［3］將采動(dòng)巖體看成是多層梁板的彎曲，推到了覆巖的力學(xué)表達(dá)式;張玉卓提出巖層移動(dòng)的位錯(cuò)理論［4］;郝慶旺提出了采動(dòng)巖體沉陷的空隙擴(kuò)展模型［5］;吳立新等提出了條帶開采覆巖破壞的托板理論［6］。

圍繞綜采技術(shù)的發(fā)展，在礦山壓力及其控制領(lǐng)域開展了大量的有建設(shè)性的工作，極大的豐富了采場(chǎng)礦山壓力理論。

作者從實(shí)際出發(fā)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出采場(chǎng)覆巖中存在應(yīng)力殼，應(yīng)力殼殼頂?shù)氖Х€(wěn)是造成礦山壓力顯現(xiàn)劇烈的原因。

1 工作面地質(zhì)條件

榆樹灣井田位于榆神礦區(qū)南部，面積88.9 km2，資源儲(chǔ)量1 804.58 Mt，規(guī)劃能力初期 8 Mt/a、后期(和曹家灘井田聯(lián)合)20 Mt/a，礦井的服務(wù)年限106 a。初期開采2－2煤，煤層厚度平均11.9 m，工作面傾斜長度200 m，埋藏深度平均269 m。

2 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

2.1 模型設(shè)計(jì)

依據(jù)榆樹灣煤礦20102工作面原巖地質(zhì)及開采條件為背景，建立FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算模型，榆樹灣煤礦20102工作面FLAC3D三維模型應(yīng)用Generate命令生成，尺寸為寬 X×厚Y×高 Z=400 m×500 m×269 m，工作面推進(jìn)方向沿 Y軸正方向，采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式，采用brick單元模擬煤巖層，模型底部限制垂直移動(dòng)，模型前后和側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由400 200個(gè)單元組成，包括418 215個(gè)節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用FLAC3D建立的三維數(shù)值計(jì)算模型見圖2。榆樹灣煤礦20102工作面覆巖巖性參數(shù)見表1，圖1為20102工作面覆巖概化后的地質(zhì)特征示意圖。

圖1 工作面覆巖原巖地質(zhì)特征

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算模型圖

2.2 沿工作面走向圍巖應(yīng)力分布

由圖3～6可以看出在三維狀態(tài)下沿煤層走向采場(chǎng)圍巖存在由集中應(yīng)力形成的應(yīng)力殼，應(yīng)力殼承載著上部覆巖的作用力。覆巖中應(yīng)力在高點(diǎn)處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，在“殼”基應(yīng)力則處于半開放狀態(tài)，應(yīng)力殼內(nèi)部屬于減壓帶。應(yīng)力殼的殼基所承受的壓力最大，位于工作面兩側(cè)的煤層中。應(yīng)力殼的殼頂發(fā)育高度為201.5 m，是煤層開采厚度的16.8倍，在工作面前方應(yīng)力殼的殼基隨著距離的增加在不斷的收縮，殼頂在不斷的降低，應(yīng)力殼影響范圍在縮小。

表1 工作面覆巖巖性參數(shù)

2.3 沿工作面傾向圍巖應(yīng)力分布

由圖7～10可以看出，沿煤層傾斜剖面，工作面同樣呈現(xiàn)應(yīng)力殼，集中應(yīng)力在高點(diǎn)處于應(yīng)力閉合狀態(tài)，在殼基應(yīng)力則處于半閉合狀態(tài)，殼的形狀隨則剖面的不同位置而變化，工作面中部的剖面應(yīng)力殼的高度發(fā)育達(dá)到最大，隨著剖面位置的前移，應(yīng)力殼的殼基在收縮，殼的高度在降低，采場(chǎng)左側(cè)時(shí)，殼的頂部發(fā)育到69 m，是煤層開采厚度的5.8倍，隨著剖面位置左移，殼基和殼頂在不斷收縮，應(yīng)力殼的影響范圍在不斷縮小。

圖3 沿煤層走向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)中部)

圖4 沿煤層走向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(開切眼處)

圖5 沿煤層走向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)前方10m處)

根據(jù)圍巖走向和傾向應(yīng)力分布特征可以得出，采場(chǎng)上方形成了由走向和傾向應(yīng)力束組成的應(yīng)力殼，起著主承載作用，可稱為主承應(yīng)力殼。

3 “應(yīng)力殼”結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以將采場(chǎng)覆巖上部應(yīng)力殼力學(xué)模型概化為圖11。

圖6 沿煤層走向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)前方20m處)

圖7 沿煤層傾向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)中部)

圖8 沿煤層傾向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)邊界左側(cè)0m)

圖9 沿煤層傾向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)邊界左側(cè)10m)

從采場(chǎng)上覆巖層中存在的主承載應(yīng)力殼中取出一微分單元體如圖12、13所示。在以α和β為法線的截面上，正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別是 σα，ταβ，ταz，σβ，τβα，τβz。設(shè)等距曲面的拉麥系數(shù)為Az和Bz，主曲率半徑為和。在以為法線的截面上，中曲面的弧長為 ds2=Bdβ(B為拉麥系數(shù))，設(shè)面素單位面積上的外力 q在 e1、e2、m 方向的分量為 q1、q2、q3，薄膜力為 N1，N2，S1，S2。根據(jù)殼的靜力和力矩平衡關(guān)系，可得關(guān)系式1。

圖10 沿煤層傾向圍巖SZZ方向應(yīng)力場(chǎng)(采場(chǎng)邊界左側(cè)20m)

圖11 采場(chǎng)覆巖應(yīng)力殼力學(xué)模型

圖12 微分單元體

應(yīng)力殼頂上部的載荷為巖層自重，設(shè)中曲面單位面積上所承受的自重為q，由圖14可知，載荷分量 q1和qn分別為

設(shè)中曲面的平面應(yīng)力殼的長半軸為 a，短半軸為 b，則應(yīng)力殼的偏心率為:

中曲面的兩個(gè)主曲率半徑為:

把上述兩式帶入殼體靜力及力矩平衡方程關(guān)系式1，可以求得殼頂?shù)膬?nèi)力為:

圖13 微分單元體中曲面應(yīng)力圖

圖14 采場(chǎng)覆巖載荷示意圖

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果可知，應(yīng)力殼的應(yīng)力最大值在殼基存在，這一點(diǎn)和覆巖的破斷特征和支撐壓力最大值分布區(qū)域及數(shù)值模擬結(jié)果相符。覆巖中應(yīng)力殼形式的承載結(jié)構(gòu)，在一定的支撐條件下，可使應(yīng)力殼范圍中的巖層中的彎矩和扭矩達(dá)到較小狀態(tài)，能減弱采動(dòng)影響對(duì)覆巖形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，根據(jù)能耗理論，可知覆巖在受到采動(dòng)影響時(shí)，趨于形成應(yīng)力殼承載結(jié)構(gòu)。

4 采場(chǎng)“應(yīng)力殼”力學(xué)特征

采場(chǎng)圍巖存在由集中應(yīng)力形成的應(yīng)力殼，該殼體的主要力學(xué)特征為:(1)應(yīng)力殼是由集中應(yīng)力所形成的，但是需要借助巖體來體現(xiàn)其力學(xué)特征，應(yīng)力殼中的應(yīng)力大于殼體內(nèi)外巖體的應(yīng)力;(2)應(yīng)力殼的殼體存在于采場(chǎng)上覆巖層和未采煤巖體內(nèi)，殼基是整個(gè)殼體應(yīng)力最集中的區(qū)域，殼基的應(yīng)力即為采場(chǎng)周圍的支撐壓力;(3)應(yīng)力殼的形態(tài)隨采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化而變化，當(dāng)殼頂發(fā)育到地表，則應(yīng)力殼形成半殼形式，此時(shí)殼頂和殼基處都處于半封閉封閉狀態(tài)。

工作面回采時(shí)，上部覆巖內(nèi)的應(yīng)力殼結(jié)構(gòu)，在殼頂未發(fā)育到第四系隔水粘土層時(shí)，應(yīng)力殼內(nèi)的砌體梁結(jié)構(gòu)只承擔(dān)應(yīng)力殼內(nèi)部分巖層荷載，位于應(yīng)力殼低應(yīng)力區(qū)域的砌體梁結(jié)構(gòu)的破斷、失穩(wěn)會(huì)造成工作面來壓，但不會(huì)造成較大動(dòng)壓;當(dāng)殼頂發(fā)育到第四系隔水粘土層時(shí)，應(yīng)力殼承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榘霘そY(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生拉剪破壞，造成覆巖的劇烈礦山壓力顯現(xiàn)。

5 結(jié)語

(1)采場(chǎng)存在主承載應(yīng)力殼結(jié)構(gòu)，應(yīng)力殼存在于上覆巖層和采場(chǎng)周圍煤巖體內(nèi)，是承載上覆巖體壓力的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，殼基是應(yīng)力殼應(yīng)力較集中的區(qū)域，殼基的應(yīng)力是采場(chǎng)周圍的支撐壓力，應(yīng)力殼的形態(tài)及應(yīng)力集中情況與采場(chǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)綜采工作面來壓劇烈，主要是應(yīng)力殼很快發(fā)育到第四系粘土層，應(yīng)力殼的頂部的封閉狀態(tài)被破壞，形成“半殼”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的拉剪式破斷可以在覆巖中產(chǎn)生劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)。

［1］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林等.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2003:18－20.

［2］李增琪.使用富氏積分變換計(jì)算開挖引起的地表移動(dòng)［J］.煤炭學(xué)報(bào).1983(2):18－28.

［3］張華興，仲維林，李增琪.地表移動(dòng)的映射計(jì)算方法［J］.煤炭學(xué)報(bào).1986(4):61－66.

［4］張玉卓，仲惟林，姚建國.巖層移動(dòng)的位錯(cuò)理論解及邊界元法計(jì)算［J］.煤炭學(xué)報(bào).1987(2):21－31.

［5］郝慶旺.采動(dòng)巖體的空隙擴(kuò)散模型與空源作用分析［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1988(2):33－39.

［6］吳立新，王金莊，趙士勝，肖玉仁，胡世彬.托板控制下開采沉陷的滯緩與集中現(xiàn)象研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1994(4):10－19.

［7］黃慶享.神府淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2002，21(8):1174 －1177.