近距离煤层下部工作面采动应力-裂隙演化规律研究

孙 赓 樊浩冬 高 帅

（河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

在我国中东部煤炭资源开采过程中，工作面布置和巷道围岩控制等问题一直受到专家学者[1-5]的关注，如近距离煤层群开采工作面应力-裂隙演化规律、煤柱下开采工作面布置等问题。工作面开采时遇到此类问题时会威胁到煤矿工人的生命财产安全。

在葛泉矿东井中，1271（上部）工作面和1295（下部）工作面停采线基本处于同一位置，上部工作面走向长420 m，下部工作面走向长705 m，两工作面间岩层厚度为29.8 m。上部工作面已开采完成，下部工作面采动受近距离煤层影响存在应力和覆岩裂隙演化不规律等问题。

基于此，本文从下部工作面安全、高效生产的角度出发，针对葛泉矿东井1271 工作面和1295 工作面实际条件，通过离散元数值模拟试验，建立离散元数值模拟模型，对近距离煤层下部工作面采动应力-裂隙演化规律展开研究[6-10]。

1 数值模拟模型的建立

在UDEC 中建立x向长600 m，y向高240 m的计算模型。本次计算模型煤层附近煤岩层加密至每5 m 一个块体，岩层和煤层采用原岩参数，模型选用库伦摩尔模型。模型除顶部均采取法向约束，底部固定x向位移，重力加速度取为9.8 m/s2。首采上部工作面，后采下部工作面，模型尺寸及煤层位置关系如图1。

图1 数值模拟模型图（m）

2 下部工作面采动应力-裂隙演化规律分析

两工作面开采范围如图1。当前上部工作面已回采完成，岩层中应力发生重新分配。现分析下部工作面采动应力-裂隙演化规律。

如图2 所示，下部工作面推进初期，采空区覆岩深部产生离层，采空区中部底板应力有较大增长，两工作面间岩柱应力开始产生应力集中。推进160～180 m 时，两工作面间岩柱应力逐渐增长，采空区中部覆岩垮落压实应力逐渐增长。

图2 下部工作面推进过程应力云图

下部工作面推进200 m 时，两工作面间岩柱受两工作面采空区影响逐渐变窄，应力集中程度达到最大。推进220 m 时，两工作面间岩柱难以承受高应力集中发生破坏，之后两工作面覆岩发生整体垮落，上部工作面开切眼侧垮落带压实后应力得以迅速恢复。推进240 m 时，下部工作面位于上部工作面减压区下方，工作面前方围岩应力迅速卸压。推进300 m 时，下部工作面位于上部工作面稳压区下方，工作面前方围岩应力得以缓慢增长。推进480 m 时，工作面前方围岩受上部工作面减压区影响应力缓慢降低，下部工作面采空区中部有两处应力集中区，分别位于上部工作面稳压区下方、上部工作面开切眼外侧，且上部工作面开切眼外侧应力集中程度高于上部工作面稳压区下方。

如图3（a）、（b）所示，当下部工作面回采初期，两工作面间的应力扰动不明显，在推进过程中形成以开切眼和工作面两点为壳基的应力集中壳并在推进过程中缓慢扩大。

图3 下部工作面推进过程最大拉应力张量云图

如图3（b）、（c）所示，下部工作面靠近上部工作面开切眼时，两个位置的应力集中产生叠加，壳基逐渐靠近，两工作面的应力集中壳之间互相影响。由于两工作面间的岩柱宽度不断缩小，岩柱两侧最大主应力方向发生偏转。下部工作面推进200～220 m 时，岩柱位置应力快速增长，同时岩体内部应力值升高时最大主应力方向偏转更加迅速。

如图3（d）所示，下部工作面通过上部工作面开切眼下方时，两工作面间岩柱发生破坏，上部覆岩大范围垮落，两工作面应力集中壳壳基发生重叠，在下部工作面后方出现应力回升区，两工作面形成左低右高的“M 形”共同应力集中壳。下部工作面继续推进，应力回升区逐渐扩展，工作面侧应力逐渐升高。下部工作面推进至480 m，两工作面应力集中壳重合形成左高右低的“M形”整体应力集中壳。

如图4 所示，下部工作面开采过程中，随工作面开采，采空区逐渐增大，超前支承压力缓慢增长。下部工作面逐渐接近上部工作面开切眼时，覆岩应力由两工作面间宽度不断变小的岩柱传递应力，超前支承压力快速增长。开采至上部工作面开切眼下时，超前支承压力迅速卸压。开采上部工作面采空区下时，超前支承压力先缓慢增长后缓慢卸压。

图4 下部工作面超前支承压力演化曲线

如图5 所示，根据下部工作面开采裂隙图可知，下部工作面回采初期，覆岩受采空区影响产生下沉，形成“梯形”采动裂隙区。随工作面采空区扩大，“梯形”采动裂隙区在走向和高度上不断扩大。下部工作面推进180～200 m 时，覆岩“梯形”采动裂隙区走向长度继续扩大，两工作面间岩柱宽度不断缩小。下部工作面推进220 m 时，两工作面间岩柱难以承受覆岩荷载产生采动裂隙破坏，两工作面的覆岩突发整体下沉，此时上部工作面开切眼侧垮落带离层被压闭合，下部工作面受覆岩整体下沉的影响，采动裂隙区高度继续向上发育。下部工作面推进240～480 m 时，采空区外“梯形”垮落压实区不再继续扩大，工作面侧覆岩离层区范围较开切眼侧离层区大。下部工作面推进480 m 时，覆岩“梯形”采动裂隙区走向和高度上发育至最大，覆岩垮落后形成两部分“梯形”垮落压实区，一部分为在上部工作面采空区下方的垮落压实区，另一部分位于上部工作面采空区外侧。

图5 下部工作面开采岩层裂隙图

3 结论

本文采用UDEC 数值模拟实验，研究了近距离煤层下部工作面采动应力-裂隙演化规律，主要成果如下：

1）下部工作面推进初期，受采空区影响应力集中壳不断扩大；下部工作面推进至上部工作面开切眼下时，两工作面应力集中壳重合，形成左低右高“M 形”应力集中壳；下部工作面开采完成后形成左高右低“M 形”应力集中壳。

2）下部工作面推进初期，超前支承压力缓慢增长；下部工作面靠近上部工作面开切眼处时，超前支承压力快速增长；下部工作面推进至上部工作面开切眼下时，超前支承压力迅速卸压；下部工作面位于上部工作面采空区内时超前支承压力呈缓慢增长-缓慢卸压的演化规律。

3）下部工作面推进初期，覆岩形成“梯形”采动裂隙区；下部工作面开采至上部工作面开切眼处时，两工作面间岩柱产生采动裂隙，之后上部工作面开切眼处采动裂隙区发生闭合；开采完成后，采空区内形成两部分“梯形”垮落压实区，一部分位于上部工作面采空区下方中部，一部分位于上部工作面采空区外侧。