浅埋厚基岩煤层工作面围岩应力演化及覆岩破坏规律研究*

舒仕海，任建军，王维建，阮毅，柳光磊

(兴义民族师范学院， 贵州 兴义市 562400)

0 引言

为了持续推进我国“一带一路”倡议，煤炭作为主要能源必不可少。煤层被开采，围岩应力重新分布，覆岩破坏，积聚的弹性势能可能会导致煤岩动力灾害现象[1-4]。目前，数值模拟软件、相似模拟实验等方法广泛应用于研究围岩应力分布及覆岩破坏规律。凌涛等利用相似模拟、理论计算及现场实测的方法揭示了巷道穿越采空区时采场覆岩破坏规律并提出支护对策[5]；李俊营运用 FLAC3D以应力变化为切入点，研究了21172工作面超前支撑压力、围岩应力、围岩活动规律[6]；付玉凯利用现场实测和FLAC3D数值软件研究了采动应力影响下巷道围岩变形破坏机理及注浆加固技术[7]；谢广祥与王磊运用FLAC3D数值软件结合现场实测，对采场围岩应力壳力学特征的岩性效应进行了分析和研究[8]；冯友良将数值模拟与理论分析计算相结合，得出了煤巷围岩应力分布特征及帮部破坏机理[9]；刘鹏等运用FLAC3D对基于断层弱化法特大断面巷道围岩稳定性进行了研究[10]；刘兵运用FLAC3D对煤层顶底板的塑性破坏进行了深入的研究[11]；刘树新等运用FLAC3D研究分析了常村煤矿2101工作面覆岩破坏规律[12]；2015年，Zhao Xiaodong等首次提出了GIS与FLAC3D耦合计算矿井长壁工作面覆岩破坏空间分布的集成方法[13]；李新华等利用工作面矿压观测和 UDEC数值模拟，分析了含水层下“三软”煤层覆岩破坏发展与矿压显现的关系[14]；刘伟韬等通过现场实测验证了数值模拟关于覆岩破坏高度结果的准确性及优越性[15]；来兴平等运用相似模拟实验与声发射监测结合的方法揭示了采动覆岩破坏演化特征[16]；张阳等通过建立上覆岩层移动变形力学模型和推导岩体内位移、应变与应力的数学表达式，揭示了覆岩变形破坏的规律[17]。笔者结合FLAC3D数值模拟、相似模拟和理论计算，对喀斯特地貌构造条件下的浅埋厚基岩煤层工作面围岩应力演化及覆岩破坏规律进行研究，为后续开采和类似地质条件下的煤矿井下作业提供参考。

1 数值模拟实验

1.1 模型设计及参数选取

通过收集和整理贵州某煤矿综采工作面110302的地质资料，得出工作面走向长度为452.5 m，倾向长度为120～168 m，煤层倾角为16°，1#煤层平均厚度约为1.4 m，3#煤层平均厚度约为2.3 m，虽然在1#煤层和3#煤层之间有0.7 m的泥岩或粉砂质泥岩的夹矸，但为了使得经济效益最大化，避免资源浪费，工作面仍实行1#、3#煤层合并开采。布置的工作面距离地表约为145.78 m，采场上覆基岩的厚度为 65～83.18 m，属于典型的浅埋厚基岩煤层。根据数值模拟软件计算的特点，需要对模型消除边界效应，在工作面走向方向上，两端各留100 m边界宽度，在倾向方向上两端各留100 m边界宽度。模型长×宽×高为660×360×269.89。模型一共有115 500个单元，并有122 976个节点，模型顶面加载垂直地应力 3.201 MPa。计算模型如图 1所示。依托实验室煤岩参数测试结果，利用各参数之间的关系式进行转换。修正后的各煤、岩层力学参数见表1。

图1 计算模型

表1 各煤、岩层力学参数

1.2 采场围岩应力演化规律分析

由于煤层被开采，采场围岩的原始应力平衡遭到破坏，使得采场围岩应力在一定范围内发生动态变化，工作面前方煤岩体应力升高，采空区位置应力降低，煤壁上方一定范围内出现垂直应力集中区和应力卸压区。为了掌握顶板岩层应力演化规律，在数值模拟实验中，在煤层顶板垮落带、裂隙带及弯曲下沉带中各布置了一组应力观测线，以沿工作面推进不同距离时3条观测线各测点应力值为纵坐标，测点距工作面的长度为横坐标，绘制垂直应力曲线图，如图2所示。

以开切眼为起点，当工作面推进长度为 45 m时，在煤壁前方20 m左右的位置出现超前支承压力峰值；当距离开切眼85 m时，在煤壁前方17 m左右出现超前支承压力峰值。当工作面推进至 125 m时，在煤壁前方15 m左右的位置出现超前支承压力峰值。当距离开切眼165 m时，在煤壁前方13 m左右的位置出现超前支承压力峰值。

在采场前方和采空区范围内，根据煤岩体上方支承压力分布得出：测线距离煤层越远时，超前支承压力峰值在逐渐减小，随着工作面的开采，采空区的应力值变小，卸压范围扩大，当卸压范围到60～80 m时，工作面推进长度为165 m。由于未发现超前支承压力对工作面煤壁前方的煤岩体产生影响，故认为在工作面前方60 m以外范围仍保持原岩应力；工作面前方6～60 m范围内，发现超前支承压力对工作面前方煤岩体有剧烈影响，在工作面前方13～20 m范围内出现超前支承压力峰值；工作面前方6 m到工作面后方采空区50 m范围内处于应力降低区；采空区后50 m以外范围属于应力恢复区。

1.3 采场覆岩塑性破坏特征

工作面煤层采完之后，采场上覆岩层会跨落并挤压，围岩应力重新分布，导致岩体发生塑性破坏。根据塑性破坏区域对采场覆岩塑性破坏特征进行分析，归纳如下：

（1）经过数值模拟发现，在距离开切眼 45 m时直接顶初次来压，使得工作面前方超前支承压力急剧增大，应力集中系数在增加，煤层顶底板塑性破坏区域迅速变大，同时破坏深度也在增加，顶底板主要发生剪切破坏和拉伸破坏，采场底板最大破坏深度达到5.66 m，顶板最大破坏深度达到11.15 m，工作面上出口的破坏程度要小于下出口，煤层顶板破坏区域呈“阶梯状”分布。

图2 不同推进阶段垂直应力变化曲线

（2）在工作面不断回采的过程中，上覆岩层破坏深度不断加大。当工作面推进85 m时，工作面下出口的破坏范围加大，此时，顶板最大破坏深度为20.75 m。在顶板8.84 m～14.55 m范围内，一部分岩体已经发生了剪切破坏，还有一部分岩体正在发生剪切破坏，煤层顶板破坏区域呈“梯形”分布，底板破坏深度没有增加，但横向破坏范围增大。

（3）如图3所示，当工作面推进125 m时，顶板破坏区域“梯形”分布趋于明显，当顶板破坏深度继续增加时，其最大破坏深度增加至30.35 m。

图3 工作面推进125 m塑性破坏区域分布

（4）当距离开切眼165 m时，顶板破坏明显呈“梯形”分布，顶板破坏范围开始趋于稳定，顶板破坏深度达39.95 m。

（5）如图4所示，当工作面推进205 m时，顶板破坏深度逐渐稳定且不再增加。

图4 工作面推进205 m塑性破坏区域分布

由以上分析可知：随着采空区面积不断增大，煤层顶板破坏区域在持续变大，且破坏深度也在增加，破坏区域一开始呈“阶梯形”分布，之后逐步演变为呈“梯形”分布。当工作面回采至45 m时，由于采空区顶板悬露面积大，直接顶初次来压，与相似模拟实验所得的初次来压步距46 m相吻合。当工作面回采45 m～125 m时，由于基本顶周期来压，顶板破坏深度明显增加；当回采165 m时，顶板破坏范围开始趋于稳定。当回采205 m时，顶板破坏区域范围已经达到稳定状态，故本次模拟的顶板破坏深度最大值为 39.95 m。采动条件下煤层顶板由下而上，依次分为：①拉伸破坏区；②（剪切、拉伸）裂隙区；③剪切破坏区；④未受扰动区。从选取的塑性破坏区域图看出垮落带及导水裂缝带的高度与拉伸破坏区和（剪切、拉伸）裂隙区的范围密切相关。以模型设计和划分为依据，计算出垮落带的高度约为 11.67 m，导水裂缝带最大发育高度约为39.95 m。

2 相似材料模拟分析结果

在相似模拟实验开采过程中，发现顶板先弯曲下沉，产生裂隙破断以后，工作面煤壁附近为旋转下沉，这是由顶板主要发生剪切破坏和拉伸破坏导致的。距离开切眼44 m时，由于上覆岩层自身载荷和开采的共同作用，导致直接顶大面积垮落，随着工作面持续推进，基本顶覆岩裂隙发育程度出现先增大再减少后变化不明显的过程。工作面回采至162.6 m时，基本顶呈现了五次周期来压，沿工作面走向测出覆岩垮落角为48°～53°，采空区一侧的垮落角为55°，覆岩垮落带高度为11.4 m，裂隙带最大发育高度为39.2 m。

3 覆岩两带高度对比分析

通过煤岩参数测试结果可知，贵州某煤矿110302首采工作面的顶板为中等稳定岩层。通过查阅相关技术规程可以确定 110302首采工作面的垮落带和裂隙带高度计算的经验公式分别为：

式中，∑M为累计采厚，m；Hk为垮落带高度，m；HLi为导水裂缝带高度，m。

将累计采厚∑M=3.7 m带入式（1）和式（2），得出垮落带和裂隙带高度范围分别为 7.97～12.37 m和33.27～44.47 m，该结果与数值模拟和相似模拟实验测出的值进行对比，认为模拟实验得出的数值与经验公式计算的结果相吻合。

4 结论

（1）在相似模拟开挖过程中，顶板先弯曲下沉，产生裂隙破断以后，工作面煤壁附近为旋转下沉，可以得出顶板主要发生了剪切破坏和拉伸破坏，这与数值模拟分析得出的塑性区域破坏图所显示的结果相符合。

（2）在回采工作面前后方范围内支承压力变化存在着4个区域：①在工作面前方60 m以外范围没有受采动影响，认为是原岩应力不变区；②在工作面前方6～60 m范围内，受到工作面超前支承压力的剧烈影响，围岩应力值先迅速增大后逐渐变小，属于应力增高区；③工作面前方6 m到工作面后方采空区50 m范围内为应力降低区；④采空区后50 m以外范围属于应力恢复区。

（3）采场顶板破坏区域先是“阶梯状”分布，后逐渐演变为“梯形”分布；工作面下出口的破坏程度要大于上出口，主要的影响因素是煤层倾角。

（4）由塑性破坏区域图可知垮落带的高度约为11.67 m，导水裂缝带最大发育高度约为39.95 m，与经验公式和相似模拟得出的数值大致相符，达到了三者相互验证的效果。