任有奎

（中國煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊，河北 邯鄲 056107）

0 引言

回采工作面是煤礦最核心的作業(yè)區(qū)域，采動后空間周圍原應(yīng)力場產(chǎn)生新變化，巖層在重新應(yīng)力場應(yīng)力作用下產(chǎn)生運動或破壞。采場周圍煤巖體的破壞和應(yīng)力演化規(guī)律一直是采礦學(xué)科的重點研究內(nèi)容[1]。國內(nèi)外學(xué)者對采動覆巖應(yīng)力變化規(guī)律進行了大量的研究，但大多集中于單一工作面煤層開采條件的采動覆巖運移和破壞規(guī)律研究，對于周邊已經(jīng)發(fā)生采動影響的工作面研究較少。宋振騏院士[2-3]根據(jù)傳遞巖梁理論創(chuàng)建了“實用礦山壓力理論”，提出內(nèi)外應(yīng)力場概念，認為一側(cè)采空后的實體煤會出現(xiàn)內(nèi)外2 個應(yīng)力場。該項目采用軟件計算得到相鄰工作面開采后地表變形值小于2 個工作面單采后的變形值的累加和。何滿潮運用FLAC3D數(shù)值模擬研究了相鄰工作面區(qū)段煤柱4 種不同開采方式的應(yīng)力分布特征。來興平等采用FLAC 有限元軟件對相鄰工作面先后開采后覆巖應(yīng)力、位移和塑性破壞特征進行了研究。

該文采用FLAC3D 對一側(cè)采空工作面上覆巖層的應(yīng)力變化進行數(shù)值模擬，分析不同工作面推進距離覆巖應(yīng)力演化規(guī)律，為計算和判斷支架選型和巷道支護等額問題提供依據(jù)，為工作面的安全高效開采提供了保障。

1 工作面概況

1.1 工作面位置

該文以某煤礦4203 工作面為研究對象，該工作面所采煤層為4 號煤，平均厚度為6.8 m，煤層傾角4°～8°。工作面走向長度2 568 m，傾向長度為255 m，煤層底板標高+685.63 m～+831.227 m。其北側(cè)為4201 已采工作面，西側(cè)為輔運石門，東側(cè)為太興鐵路保安煤柱，南側(cè)為規(guī)劃的4101工作面。4203 工作面與4201 工作面落差為12 m 左右，總體呈南高北低、西高東低。

2 FLAC3D 數(shù)值模型建立

該文以相鄰的4201 工作面和4203 工作面為對象，運用FLAC3D 有限元軟件建立三維計算模型，模擬分析有無一側(cè)采空工作面不同推進距離采動覆巖的應(yīng)力演化規(guī)律。

2.1 模型方案及邊界條件

工作面區(qū)域內(nèi)無大的構(gòu)造，各巖層之間為整合接觸，傾角不大，可以建立水平模型對實際情況近似模擬。根據(jù)模擬需要，模型幾何尺寸取900m×500m×240m，模擬開采深度515 m。采區(qū)走向為x方向，傾向為z方向，垂直方向為y方向。取煤層以上213 m 做上邊界，以下20 m 做下邊界建模。其計算模型的網(wǎng)格剖分如圖2 所示，上邊界以上的巖層作為作用在模型上邊界上的外荷載。左、右邊界和下邊界約束法向位移。

2.2 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過經(jīng)驗處理和數(shù)值模擬的擬合調(diào)試，該模擬巖層信息主要使用該礦回風井巖層結(jié)構(gòu)，實驗時各巖層采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計算巖（土）層組物理力學(xué)性質(zhì)指標

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 模型初始應(yīng)力分析

一側(cè)采空工作面沒有開采前，受采空區(qū)的擾動影響，覆巖初始平衡應(yīng)力已發(fā)生改變，在工作面走向及傾向上應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)。

3.2 不同推進距離覆巖應(yīng)力分布模擬結(jié)果分析

工作面推進到130 m、520 m 時的巖體應(yīng)力狀態(tài)及關(guān)鍵層垂直位移變化如圖3、圖4 所示。

單一工作面推進到130 m 時，由于推進距離較小，在走向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)呈尖頂狀；在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)兩側(cè)對稱的梯形。一側(cè)采空工作面推進到130 m 時，在走向上，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)與單一工作面開采類似，在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)斜梯形，靠近采空區(qū)煤柱附近應(yīng)力釋放區(qū)域較小。工作面推進到130 m 時，受覆巖應(yīng)力的重新分布影響，單一工作面與一側(cè)采空工作面覆巖的位移變化量均較小，各巖層自下而上垂直位移逐漸減小。對比工作面一側(cè)采空前后，K5 巖層垂直位移提升了12.44%。

工作面推進到520 m 時，單一工作面和一側(cè)采空工作面覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)在走向上基本一致，近似呈平頂斜梯形，左右對稱，隨回采距離增大使覆巖影響范圍增大。在傾向上，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)基本相似，但大小不同，一側(cè)采空工作面采空區(qū)側(cè)應(yīng)力明顯偏小。

工作面推進到520 m 時，單一煤層開采時，K5 巖層垂直位移最大4.50 m；組合開采時，K5 巖層垂直位移最大5.20 m。對比有無采空區(qū)工作面K5 與K6 巖層的變形位移量對比，見表2。

表2 4203 工作面模擬開采關(guān)鍵巖層沉降量對比表

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 采動覆巖應(yīng)力演化特征

因煤層的開采破壞了覆巖的原巖應(yīng)力場平衡狀態(tài)，采空區(qū)上覆巖體逐步垮落，垂直應(yīng)力得到釋放，隨工作面的推進應(yīng)力降低范圍不斷擴大[4-8]。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬，對比有無4201 采空區(qū)覆巖應(yīng)力變化云圖可知：1）單一工作面開采時，采動覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)左右對稱，推進距離較小時，應(yīng)力分布形態(tài)呈尖頂狀；工作面見方時，采空區(qū)覆巖卸壓高度基本達到最大，超過K6 砂巖，應(yīng)力分布形態(tài)走向上呈平頂梯形、傾向上呈中間平兩端頂起；充分開采后，采空區(qū)覆巖卸壓高度趨于穩(wěn)定，覆巖應(yīng)力分布形態(tài)不再發(fā)生變化，僅在走向上隨回采距離增大使覆巖周圍應(yīng)力卸壓區(qū)域增大。2）一側(cè)采空工作面開采時，受采空區(qū)的擾動影響，開采前，覆巖初始平衡應(yīng)力已發(fā)生改變，覆巖產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)?；夭珊?，采動覆巖應(yīng)力演化時間相對滯后，工作面見方時，采空區(qū)覆巖卸壓高度還未達到最大；充分開采后，采空區(qū)覆巖卸壓高度達到最大且趨于穩(wěn)定。覆巖應(yīng)力分布形態(tài)在走向上與單一工作面開采類似，僅采空區(qū)覆巖卸壓發(fā)育高度相對減??；在傾向上，采空區(qū)覆巖卸壓區(qū)域呈現(xiàn)斜梯形，工作面兩側(cè)覆巖應(yīng)力分布形態(tài)不對稱，靠近采空區(qū)煤柱附近應(yīng)力釋放區(qū)域初始較小，隨工作面推進逐步擴大，充分開采后，工作面兩側(cè)煤柱覆巖應(yīng)力分布形態(tài)基本對稱，大小不同，采空區(qū)側(cè)應(yīng)力明顯偏小。

3.3.2 采動覆巖位移演化特征

煤層開采后，受自身重力影響采空區(qū)上覆各巖層逐漸與上分層分離，產(chǎn)生向下的垂直位移，隨著工作面的不斷推進，采動覆巖垂直位移逐漸從采空區(qū)低位巖層向高位巖層演化。通過對有無4201 采空區(qū)的覆巖變形位移量對比分析可知：1）結(jié)合覆巖應(yīng)力變化云圖可以看出K5 是煤層上方第一次關(guān)鍵巖層，對4203 工作面上覆巖層運動起到重要控制作用；K6 作為整個工作面的主關(guān)鍵層，對工作面上覆巖層運動控制作用更加明顯。2）單一工作面與一側(cè)采空工作面采動覆巖垂直位移演化特征一致，覆巖位移變化自下而上擴展，各巖層自下而上垂直位移量自下而上逐漸減小。3）覆巖不同層位垂直位移隨著工作面回采逐漸趨于穩(wěn)定，充分開采后，覆巖運動高度范圍及垂直位移變化量均達到最大。對比工作面一側(cè)采空前后，K5 巖層單一煤層開采時垂直位移最大4.50 m，組合開采時垂直位移最大5.20 m，垂直位移提升了15.55%；K6 巖層單一煤層開采時垂直位移最大1.50 m，組合開采時垂直位移最大3.50 m，垂直位移提升了133.33%。

4 結(jié)論

該文利用FLAC3D 數(shù)值模擬，通過對有無一側(cè)采空工作面不同推進距離下采動覆巖應(yīng)力分布和垂直位移演化規(guī)律進行分析，得出以下2 點結(jié)論：1）隨著工作面推進，采動覆巖應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力降低范圍不斷擴大。單一工作面開采時，采動覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)左右對稱；一側(cè)采空后，采動覆巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)不斷發(fā)生變化，靠近采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力影響范圍逐漸增大，最終在工作面兩側(cè)覆巖應(yīng)力分布形態(tài)呈基本對稱，但應(yīng)力大小不同的梯形。2）受采空區(qū)的擾動影響，一側(cè)采空工作面煤層開采時，在極大的應(yīng)力作用下，采動覆巖垂直位移變化量產(chǎn)生較大的變化，關(guān)鍵巖層沉降量明顯增大。