一侧采空工作面采动覆岩应力演化规律研究

任有奎

（中国煤炭地质总局一一九勘探队，河北 邯郸 056107）

0 引言

回采工作面是煤矿最核心的作业区域，采动后空间周围原应力场产生新变化，岩层在重新应力场应力作用下产生运动或破坏。采场周围煤岩体的破坏和应力演化规律一直是采矿学科的重点研究内容[1]。国内外学者对采动覆岩应力变化规律进行了大量的研究，但大多集中于单一工作面煤层开采条件的采动覆岩运移和破坏规律研究，对于周边已经发生采动影响的工作面研究较少。宋振骐院士[2-3]根据传递岩梁理论创建了“实用矿山压力理论”，提出内外应力场概念，认为一侧采空后的实体煤会出现内外2 个应力场。该项目采用软件计算得到相邻工作面开采后地表变形值小于2 个工作面单采后的变形值的累加和。何满潮运用FLAC3D数值模拟研究了相邻工作面区段煤柱4 种不同开采方式的应力分布特征。来兴平等采用FLAC 有限元软件对相邻工作面先后开采后覆岩应力、位移和塑性破坏特征进行了研究。

该文采用FLAC3D 对一侧采空工作面上覆岩层的应力变化进行数值模拟，分析不同工作面推进距离覆岩应力演化规律，为计算和判断支架选型和巷道支护等额问题提供依据，为工作面的安全高效开采提供了保障。

1 工作面概况

1.1 工作面位置

该文以某煤矿4203 工作面为研究对象，该工作面所采煤层为4 号煤，平均厚度为6.8 m，煤层倾角4°～8°。工作面走向长度2 568 m，倾向长度为255 m，煤层底板标高+685.63 m～+831.227 m。其北侧为4201 已采工作面，西侧为辅运石门，东侧为太兴铁路保安煤柱，南侧为规划的4101工作面。4203 工作面与4201 工作面落差为12 m 左右，总体呈南高北低、西高东低。

2 FLAC3D 数值模型建立

该文以相邻的4201 工作面和4203 工作面为对象，运用FLAC3D 有限元软件建立三维计算模型，模拟分析有无一侧采空工作面不同推进距离采动覆岩的应力演化规律。

2.1 模型方案及边界条件

工作面区域内无大的构造，各岩层之间为整合接触，倾角不大，可以建立水平模型对实际情况近似模拟。根据模拟需要，模型几何尺寸取900m×500m×240m，模拟开采深度515 m。采区走向为x方向，倾向为z方向，垂直方向为y方向。取煤层以上213 m 做上边界，以下20 m 做下边界建模。其计算模型的网格剖分如图2 所示，上边界以上的岩层作为作用在模型上边界上的外荷载。左、右边界和下边界约束法向位移。

2.2 各岩层物理力学参数

经过经验处理和数值模拟的拟合调试，该模拟岩层信息主要使用该矿回风井岩层结构，实验时各岩层采用的物理力学参数见表1。

表1 计算岩（土）层组物理力学性质指标

3 模拟计算结果分析

3.1 模型初始应力分析

一侧采空工作面没有开采前，受采空区的扰动影响，覆岩初始平衡应力已发生改变，在工作面走向及倾向上应力重新分布，产生应力集中区。

3.2 不同推进距离覆岩应力分布模拟结果分析

工作面推进到130 m、520 m 时的岩体应力状态及关键层垂直位移变化如图3、图4 所示。

单一工作面推进到130 m 时，由于推进距离较小，在走向上，采空区覆岩卸压区呈尖顶状；在倾向上，采空区覆岩卸压区域呈现两侧对称的梯形。一侧采空工作面推进到130 m 时，在走向上，覆岩应力分布形态与单一工作面开采类似，在倾向上，采空区覆岩卸压区域呈现斜梯形，靠近采空区煤柱附近应力释放区域较小。工作面推进到130 m 时，受覆岩应力的重新分布影响，单一工作面与一侧采空工作面覆岩的位移变化量均较小，各岩层自下而上垂直位移逐渐减小。对比工作面一侧采空前后，K5 岩层垂直位移提升了12.44%。

工作面推进到520 m 时，单一工作面和一侧采空工作面覆岩垂直应力分布形态在走向上基本一致，近似呈平顶斜梯形，左右对称，随回采距离增大使覆岩影响范围增大。在倾向上，覆岩应力分布形态基本相似，但大小不同，一侧采空工作面采空区侧应力明显偏小。

工作面推进到520 m 时，单一煤层开采时，K5 岩层垂直位移最大4.50 m；组合开采时，K5 岩层垂直位移最大5.20 m。对比有无采空区工作面K5 与K6 岩层的变形位移量对比，见表2。

表2 4203 工作面模拟开采关键岩层沉降量对比表

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 采动覆岩应力演化特征

因煤层的开采破坏了覆岩的原岩应力场平衡状态，采空区上覆岩体逐步垮落，垂直应力得到释放，随工作面的推进应力降低范围不断扩大[4-8]。根据FLAC3D数值模拟，对比有无4201 采空区覆岩应力变化云图可知：1）单一工作面开采时，采动覆岩垂直应力分布形态左右对称，推进距离较小时，应力分布形态呈尖顶状；工作面见方时，采空区覆岩卸压高度基本达到最大，超过K6 砂岩，应力分布形态走向上呈平顶梯形、倾向上呈中间平两端顶起；充分开采后，采空区覆岩卸压高度趋于稳定，覆岩应力分布形态不再发生变化，仅在走向上随回采距离增大使覆岩周围应力卸压区域增大。2）一侧采空工作面开采时，受采空区的扰动影响，开采前，覆岩初始平衡应力已发生改变，覆岩产生应力集中区。回采后，采动覆岩应力演化时间相对滞后，工作面见方时，采空区覆岩卸压高度还未达到最大；充分开采后，采空区覆岩卸压高度达到最大且趋于稳定。覆岩应力分布形态在走向上与单一工作面开采类似，仅采空区覆岩卸压发育高度相对减小；在倾向上，采空区覆岩卸压区域呈现斜梯形，工作面两侧覆岩应力分布形态不对称，靠近采空区煤柱附近应力释放区域初始较小，随工作面推进逐步扩大，充分开采后，工作面两侧煤柱覆岩应力分布形态基本对称，大小不同，采空区侧应力明显偏小。

3.3.2 采动覆岩位移演化特征

煤层开采后，受自身重力影响采空区上覆各岩层逐渐与上分层分离，产生向下的垂直位移，随着工作面的不断推进，采动覆岩垂直位移逐渐从采空区低位岩层向高位岩层演化。通过对有无4201 采空区的覆岩变形位移量对比分析可知：1）结合覆岩应力变化云图可以看出K5 是煤层上方第一次关键岩层，对4203 工作面上覆岩层运动起到重要控制作用；K6 作为整个工作面的主关键层，对工作面上覆岩层运动控制作用更加明显。2）单一工作面与一侧采空工作面采动覆岩垂直位移演化特征一致，覆岩位移变化自下而上扩展，各岩层自下而上垂直位移量自下而上逐渐减小。3）覆岩不同层位垂直位移随着工作面回采逐渐趋于稳定，充分开采后，覆岩运动高度范围及垂直位移变化量均达到最大。对比工作面一侧采空前后，K5 岩层单一煤层开采时垂直位移最大4.50 m，组合开采时垂直位移最大5.20 m，垂直位移提升了15.55%；K6 岩层单一煤层开采时垂直位移最大1.50 m，组合开采时垂直位移最大3.50 m，垂直位移提升了133.33%。

4 结论

该文利用FLAC3D 数值模拟，通过对有无一侧采空工作面不同推进距离下采动覆岩应力分布和垂直位移演化规律进行分析，得出以下2 点结论：1）随着工作面推进，采动覆岩应力重新分布，垂直应力得到释放，应力降低范围不断扩大。单一工作面开采时，采动覆岩垂直应力分布形态左右对称；一侧采空后，采动覆岩垂直应力分布形态不断发生变化，靠近采空区一侧应力影响范围逐渐增大，最终在工作面两侧覆岩应力分布形态呈基本对称，但应力大小不同的梯形。2）受采空区的扰动影响，一侧采空工作面煤层开采时，在极大的应力作用下，采动覆岩垂直位移变化量产生较大的变化，关键岩层沉降量明显增大。