榆树湾煤矿采场覆岩应力壳结构力学特征分析

2013-09-04张文忠

地下水 2013年4期

樊娟，张文忠

(中煤科工集团西安研究院，陕西西安 710054)

关于煤层开采后，覆岩形成的结构，已经有很多学者从不同方面提出不同的模型。如:钱鸣高教授［1］提出的覆岩“砌体梁”结构及关键层理论;李增琪［2］、张华兴等［3］将采动岩体看成是多层梁板的弯曲，推到了覆岩的力学表达式;张玉卓提出岩层移动的位错理论［4］;郝庆旺提出了采动岩体沉陷的空隙扩展模型［5］;吴立新等提出了条带开采覆岩破坏的托板理论［6］。

围绕综采技术的发展，在矿山压力及其控制领域开展了大量的有建设性的工作，极大的丰富了采场矿山压力理论。

作者从实际出发结合数值模拟结果，提出采场覆岩中存在应力壳，应力壳壳顶的失稳是造成矿山压力显现剧烈的原因。

1 工作面地质条件

榆树湾井田位于榆神矿区南部，面积88.9 km2，资源储量1 804.58 Mt，规划能力初期 8 Mt/a、后期(和曹家滩井田联合)20 Mt/a，矿井的服务年限106 a。初期开采2－2煤，煤层厚度平均11.9 m，工作面倾斜长度200 m，埋藏深度平均269 m。

2 计算机数值模拟

2.1 模型设计

依据榆树湾煤矿20102工作面原岩地质及开采条件为背景，建立FLAC3D三维数值计算模型，榆树湾煤矿20102工作面FLAC3D三维模型应用Generate命令生成，尺寸为宽 X×厚Y×高 Z=400 m×500 m×269 m，工作面推进方向沿 Y轴正方向，采用Mohr－Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，采用brick单元模拟煤岩层，模型底部限制垂直移动，模型前后和侧面限制水平移动，整个模型由400 200个单元组成，包括418 215个节点。应用FLAC3D建立的三维数值计算模型见图2。榆树湾煤矿20102工作面覆岩岩性参数见表1，图1为20102工作面覆岩概化后的地质特征示意图。

图1 工作面覆岩原岩地质特征

图2 FLAC3D数值模拟计算模型图

2.2 沿工作面走向围岩应力分布

由图3～6可以看出在三维状态下沿煤层走向采场围岩存在由集中应力形成的应力壳，应力壳承载着上部覆岩的作用力。覆岩中应力在高点处于应力闭合状态，在“壳”基应力则处于半开放状态，应力壳内部属于减压带。应力壳的壳基所承受的压力最大，位于工作面两侧的煤层中。应力壳的壳顶发育高度为201.5 m，是煤层开采厚度的16.8倍，在工作面前方应力壳的壳基随着距离的增加在不断的收缩，壳顶在不断的降低，应力壳影响范围在缩小。

表1 工作面覆岩岩性参数

2.3 沿工作面倾向围岩应力分布

由图7～10可以看出，沿煤层倾斜剖面，工作面同样呈现应力壳，集中应力在高点处于应力闭合状态，在壳基应力则处于半闭合状态，壳的形状随则剖面的不同位置而变化，工作面中部的剖面应力壳的高度发育达到最大，随着剖面位置的前移，应力壳的壳基在收缩，壳的高度在降低，采场左侧时，壳的顶部发育到69 m，是煤层开采厚度的5.8倍，随着剖面位置左移，壳基和壳顶在不断收缩，应力壳的影响范围在不断缩小。

图3 沿煤层走向围岩SZZ方向应力场(采场中部)

图4 沿煤层走向围岩SZZ方向应力场(开切眼处)

图5 沿煤层走向围岩SZZ方向应力场(采场前方10m处)

根据围岩走向和倾向应力分布特征可以得出，采场上方形成了由走向和倾向应力束组成的应力壳，起着主承载作用，可称为主承应力壳。

3 “应力壳”结构力学分析

根据数值模拟结果，可以将采场覆岩上部应力壳力学模型概化为图11。

图6 沿煤层走向围岩SZZ方向应力场(采场前方20m处)

图7 沿煤层倾向围岩SZZ方向应力场(采场中部)

图8 沿煤层倾向围岩SZZ方向应力场(采场边界左侧0m)

图9 沿煤层倾向围岩SZZ方向应力场(采场边界左侧10m)

从采场上覆岩层中存在的主承载应力壳中取出一微分单元体如图12、13所示。在以α和β为法线的截面上，正应力和剪应力分别是 σα，ταβ，ταz，σβ，τβα，τβz。设等距曲面的拉麦系数为Az和Bz，主曲率半径为和。在以为法线的截面上，中曲面的弧长为 ds2=Bdβ(B为拉麦系数)，设面素单位面积上的外力 q在 e1、e2、m 方向的分量为 q1、q2、q3，薄膜力为 N1，N2，S1，S2。根据壳的静力和力矩平衡关系，可得关系式1。

图10 沿煤层倾向围岩SZZ方向应力场(采场边界左侧20m)

图11 采场覆岩应力壳力学模型

图12 微分单元体

应力壳顶上部的载荷为岩层自重，设中曲面单位面积上所承受的自重为q，由图14可知，载荷分量 q1和qn分别为

设中曲面的平面应力壳的长半轴为 a，短半轴为 b，则应力壳的偏心率为:

中曲面的两个主曲率半径为:

把上述两式带入壳体静力及力矩平衡方程关系式1，可以求得壳顶的内力为:

图13 微分单元体中曲面应力图

图14 采场覆岩载荷示意图

根据力学分析结果可知，应力壳的应力最大值在壳基存在，这一点和覆岩的破断特征和支撑压力最大值分布区域及数值模拟结果相符。覆岩中应力壳形式的承载结构，在一定的支撑条件下，可使应力壳范围中的岩层中的弯矩和扭矩达到较小状态，能减弱采动影响对覆岩形成的应力集中现象，根据能耗理论，可知覆岩在受到采动影响时，趋于形成应力壳承载结构。

4 采场“应力壳”力学特征

采场围岩存在由集中应力形成的应力壳，该壳体的主要力学特征为:(1)应力壳是由集中应力所形成的，但是需要借助岩体来体现其力学特征，应力壳中的应力大于壳体内外岩体的应力;(2)应力壳的壳体存在于采场上覆岩层和未采煤岩体内，壳基是整个壳体应力最集中的区域，壳基的应力即为采场周围的支撑压力;(3)应力壳的形态随采场结构的变化而变化，当壳顶发育到地表，则应力壳形成半壳形式，此时壳顶和壳基处都处于半封闭封闭状态。

工作面回采时，上部覆岩内的应力壳结构，在壳顶未发育到第四系隔水粘土层时，应力壳内的砌体梁结构只承担应力壳内部分岩层荷载，位于应力壳低应力区域的砌体梁结构的破断、失稳会造成工作面来压，但不会造成较大动压;当壳顶发育到第四系隔水粘土层时，应力壳承载结构转变为半壳结构，该结构稳定性较差，容易产生拉剪破坏，造成覆岩的剧烈矿山压力显现。