采动区覆岩破坏扰动分析

王志光

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

工作面开采会对煤层产生扰动，其扰动效果直接表现为临近煤层结构的破坏，很容易造成坍塌、冒顶、瓦斯聚集等多种灾害，不利于矿井的安全生产。监测掌握工作面开采后临近煤层的应力结构变化规律对安全生产是极为必要的。现场监测涉及到相关设备、测点技术等，相对复杂。故大多数学者通过FLAC3D数值模拟软件对工作面开采对临近煤层的影响效果进行分析研究。例如，宋红军[1]等人通过RFPA软件对古书院矿15#煤层受采动影响后的裂隙发育规律进行了研究，为瓦斯治理提供了依据；罗伙根[2]等人通过UDEC模拟软件研究了工作面开采深度对上覆岩层的离层空间动压以及三带裂隙高度的影响。

通过FLAC3D软件对开滦集团钱家营矿1622W工作面开采前后9#煤层下沉量以及两侧煤柱区域垂直应力变化的分布规律进行研究，以期为上覆煤层的巷道布置及安全生产提供支持。

1 工作面概况

1622W回采工作面主要开采六采区的12-1煤层，其地面标高为+13.3～+14.6 m，工作面标高-470.0～-577.5 m，工作面长度116.8～188.1 m，平均长度175 m，走向长度1029.3 m。煤层平均厚度3.4 m，平均倾角16°。12-1煤层从上到下分别为炭质泥岩，平均厚度2.6 m；粉砂岩，平均厚度18.25 m。

1692W回采工作面则主要开采9煤层[3]，其对应的地面标高+13.3～+14.6 m。工作面平均长度175 m，走向长度937.5 m。煤层平均厚度1.9 m，平均倾角16°。9煤层从上至下的岩石性质为1.9 m的泥岩直接顶岩；3.1 m粉砂岩形成的老顶岩；4.8 m细砂岩构成的直接底岩；9.0 m泥岩形成的老底岩。9煤上部为8煤层，8煤层平均厚度2.1 m；从上到下的岩性分别为2 m的粉砂岩，4.8 m的砂岩；6.6 m的粉砂岩。

2 数值计算模型

根据工作面地质条件和煤岩条件[4-6]，建立以下模型进行计算：模型范围为413.5 m×740 m×230.8 m(长×宽×高)，单元网格数为375 254，节点数为385 950，如图1所示。

图1 工作面赋存情况及各岩层层位关系数值模拟计算

模型计算模型边界条件确定如下：模型X、Y轴两端加相同反向约束，保证位移为零；模型底部加固定约束，保证底部不发生变形；模型顶部为自由边界。

计算模型边界约束条件确定如下：模型X轴方向施加26.2 MPa的应力；模型Z轴方向施加14.9 MPa的应力；并设其载荷为自重载荷；模型Y轴方向施加10.2 MPa的应力。

软件模拟过程中所需要的各种性质煤岩的物理力学参数[7]见表1。

表1 数值计算模型物理力学参数

3 数值模拟结果及分析

3.1 上覆岩层在回采面开采前后的变形特征对比

上覆岩层受回采工作面扰动后沿倾向的沉降量等值线图如图2所示。1622W工作面的上覆煤层9煤层在开采扰动后平均沉降量为2.7 m。

图2 沿倾向上覆岩层垂直位移剖面/m

图3为上覆煤层9煤层在沿走向的沉降量等值线图。由图3可以看到，工作面回采之后形成的采空区中部下沉量最大，以采空区中部为中心，向四周射线方向的下沉量逐渐降低，整个9煤层的下沉量主要分布在2.6～2.7 m之间。

图3 沿走向上覆岩层垂直位移剖面/m

1622W工作面开采后，采空区上方岩层下沉量较大，两侧煤柱区域下沉量在0.1～1.4 m范围内，如图4所示。

图4 1622W工作面开采后上覆岩层下沉量/m

3.2 两侧煤柱受开采扰动后的垂直应力变化特征

由图5可看出，煤柱范围内的垂直应力值在开采前还较稳定，最大为13.5 MPa，最小为13.0 MPa。随着工作面的开采，工作面下端头方向，最大垂直应力值先是急剧升高而后逐渐降低，其最大垂直应力为30.1 MPa，最小垂直应力为15.3 MPa。

图5 1622W工作面开采前后下区段煤柱垂直应力变化对比

图6显示了上区段煤柱范围内的应力变化情况，由趋势图可以看出，工作面开采前，煤柱范围内所分布的垂直应力较为稳定，在11.4 ～11.7 MPa之间。工作面开采后，在受到扰动之后，工作面上端头方向的最大垂直应力呈现先升高后下降的趋势，最大可达35.0 MPa，最小则为17.2 MPa。综合来看，工作面开采扰动会使上覆煤层两端的垂直应力急剧增加，影响生产安全，因此在实际生产中应加强矿压控制技术措施。

图6 1622W工作面开采前后上区段煤柱垂直应力变化对比

3.3 9煤层上行开采巷道布置

根据上覆岩层在工作面开采后的变形量计算可知，上覆煤层的整体下沉形态呈现盆地形态。位于工作面采空区中部的上覆9煤层沉降量最大，为2.7 m。而在采空区煤柱附近的范围内，下沉量根据开采情况的不同会有较大的差异，例如在1622W工作面，回风顺槽至采空区方向9 m范围、运输顺槽至采空区方向5 m范围顶板下沉量变化较大，因此在9煤层进行巷道掘进时，应尽量避开此位置，保证巷道工程的稳定安全，如图7所示。

图7 1622W工作面开采对9煤层的影响

根据对上覆煤层应力分布的计算[8-10]，可以发现，工作面煤壁往外10 m范围内会因为扰动的影响而出现应力升高的现象。因此在布置9煤层回采巷道时，应尽量避免将巷道布置于12-1煤层对应煤柱10 m范围内。

4 结论

(1)1622W工作面开采高度为3.4 m。上覆9煤层下沉整体呈现盆地形态，工作面采空区中部沉降量最大为2.7 m。

(2)上覆9煤层的垂直应力在1622W工作面开采后显著降低，工作面顶板处的垂直应力由12.3 MPa降低到0.16 MPa，降低程度达到了98.7%，对其他工作面有显著的卸压作用。

(3)煤柱范围内的垂直应力未受开采扰动前在11.4～13.5 MPa范围内，受扰动后，不同位置的应力分布不同，运输顺槽处为30.1 MPa，回风顺槽处为35.0 MPa，表明工作面开采会导致煤柱处的垂直应力大幅度增加。