中厚煤层超长工作面应力场时空演化特征数值模拟研究

2023-12-09李明龚钰

山东煤炭科技 2023年11期

李明龚钰

（1.河南能源化工集团禹州枣园煤业有限公司，河南禹州 452570；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

近年来，随着煤炭高强度大规模的开采，布置超长工作面已逐渐成为中厚煤层实现高产高效的必然趋势[1]。然而，工作面长度的增加势必会对采空区覆岩破断特征产生影响[2-3]，并引起矿压显现规律的改变，给矿井安全生产带来新的难题。

部分研究表明，超长工作面的矿压显现与普通工作面矿压显现存在显著区别。超长工作面周期来压步距小，来压持续距离短且矿压显现较剧烈[4-5]；工作面周期来压步距与工作面长度呈反比，来压强度则与工作面长度成正比关系[6]。王生彪等[7]通过对超长工作面回采及末采期间来压数据进行统计，根据来压步距、强度与面长的关系对工作面顶板支护进行指导。煤层厚度对采场矿压显现规律及岩层移动变形规律存在一定的影响，金宝圣[8]利用数值模拟分析了基本顶的弯曲、破断、失稳全过程，模拟得出基本顶的初次来压步距为60～70 m，周期来压步距约为25 m。相较于200 m 以内的工作面长度，煤层厚度使得超长工作面顶板管理难度大，需要强有力的支护策略保持端面顶板及煤壁围岩稳定性[9]。超长工作面回采对顶板及煤壁造成破坏的同时，对底板破坏与损伤呈现了新的特征。现场实测[10]表明，超前工作面底板扰动深度为22～27 m。基于超长工作面来压强、步距短的周期来压特点，众多学者进行支架选型及加强支护形式的研究。秦小云等[11]针对支架承载中部受力强、两端受力较小的特点，进行掩护式支架承载特性的研究；王国法等[12]采用现场实测与理论计算相结合的方法，分析了超长工作面来压频率、峰值和范围，提出了单架控制-组控制-群控制三级协同控制方案；范志忠等[13]采用超长工作面顶板状态实时监测与动态感知技术，实现了顶板来压位置、持续时间及来压强度的模式识别；王传兵等[14]采用数值模拟、实验室试验等方法对两巷煤壁片帮机理进行了研究，两巷超前深孔、工作面煤壁浅孔超前预注浆等措施进行煤壁防片帮治理；张开智等[15]针对超长工作面综放开采下的顶梁支架阻力进行实测分析，通过对顶梁支架上的载荷分布进行敏感性分析，通过参数调整实现顶梁载荷分布的控制。超长工作面回采引起煤炭回采率的增加，对超长工作面设备选型提出新要求，唐永志等[16]将液压支架及刮板输送机与采煤机的割煤速率进行关联分析，满足工作面实际生产能力，同时确定支架合理支护强度，选用特定支护结构，支护效果良好。综上分析可知，厘清中厚煤层超长工作面的矿压显现规律对工作面安全开采有着重要的影响。

本文以陈四楼煤矿2803 超长工作面回采为工程背景，通过FLAC3D数值模拟对中厚煤层超长工作面采动过程的走向超前支承压力、侧向超前支承压力及煤壁侧向支承压力时空演化规律进行研究。

1 概况

陈四楼煤矿2803 工作面位于八采区，主要回采二2 煤层。工作面呈东西方向布置，南边为已开采的2802 工作面采空区，北边为未开采的2804 工作面实体煤。工作面埋深约750 m，走向长度约1300 m，工作面斜长约367 m，属于典型超长工作面。工作面南边为2802 工作面；西为岩浆岩侵入区；东为八采区皮带巷、八采区轨道巷、八采区回风巷；北为未开采的2804 工作面实体煤。

图1 2803 超长工作面布置图（m）

工作面回采煤层为二2 煤层，煤层平均厚度为2.65 m，煤层特征为灰黑～褐黑色，玻璃光泽，以亮煤为主。直接顶为深灰色泥岩，平均厚度3.84 m，含菱铁质及植物化石碎片，有大量黄铁矿薄膜，局部有较多煤屑；基本顶为灰白色中砂岩，颗粒为粗-细-粗结构，成分以石英、长石为主，泥质胶结，微斜层理发育，裂隙充填方解石，局部泥质团块较多，呈不规则分布，平均厚度13.28 m；直接底为灰黑色泥岩，灰黑色，含碳化、植物根部化石碎片，下部具层理并含粉砂岩条带和黄铁矿薄膜，平均厚度4.67 m。根据实际揭煤情况，工作面煤层赋存稳定，结构简单。

2 中厚煤层超长工作面数值模拟结果分析

2.1 工作面应力场时空演化特征数值模型

根据煤层柱状图及工作面布置情况，运用FLAC3D数值软件，研究超长工作面回采时工作面的应力场分布情况。模型采用Mohr-Coulomb 本构模型，Mohr-Coulomb 模型属于理想弹塑性模型，能较好地反映材料在弹塑性阶段的受力变形特征，且针对大模型有较高的计算效率。模拟超长工作面回采过程，考虑边界效应，建立500 m×300 m×80 m 的超长工作面回采模型，模型共有网格约203 万个，节点约219 万个。模型底部及四周为固定边界，顶部为自由应力边界。根据煤层埋深及岩层分布情况，模型顶部施加上覆岩层自重应力16.1 MPa。各岩层参数见表1。

表1 物理力学参数表

2.2 工作面超前支承应力场分布特征

在模型煤层顶板上z=23.7 布置y轴方向测线，工作面中心位置为（250，30，23.7），监测距离工作面中心x方向0 m、40 m、80 m、120 m 的应力，开挖30 m 后计算平衡。模型计算平衡后，通过模拟结果输出不同方案下工作面超前应力云图，分析工作面开采对超长工作面超前应力分布影响。支承应力分布如图2。

图2 工作面不同位置处超前应力分布云图

根据图2 工作面不同位置处超前应力分布规律可知，随着监测点与工作面距离的增大，超前支承应力先增大后减小，且在工作面前方11 m 处取得峰值26.84 MPa，其应力集中系数为1.534；然后急剧减小，至25 m 减少至21.20 MPa；再缓慢减小，至90 m 处减少至原岩应力17.5 MPa。290 m 测线时，工作面前方压力由4.16 MPa 开始急剧增加，距离11 m 时升至峰值27.24 MPa，应力集中系数为1.557；然后急剧减小，至25 m 减少至21.16 MPa；再缓慢减小，至90 m 处减少至原岩应力17.5 MPa。330 m测线时，工作面前方压力由4.27 MPa 开始急剧增加，距离11 m 时升至峰值27.05 MPa，至93 m 处减少至原岩应力17.5 MPa 后趋于平缓。370 m 测线时，工作面前方压力由4.05 MPa 开始急剧增加，距离11 m 时升至峰值27.08 MPa，应力集中系数为1.547；然后急剧减小，至25 m 减少至22.85 MPa；再缓慢减小，至90 m 处减少至17.8 MPa 后趋于平缓。410 m 测线时，工作面前方压力由4.01 MPa 开始急剧增加，距离11 m 时升至峰值27.87 MPa，应力集中系数为1.593；然后急剧减小，至25 m 减少至22.82 MPa；再缓慢减小，至90 m 处减少至18.5 MPa 后趋于平缓。

工作面应力分布曲线如图3 所示，图中x=0 为工作面中心处。由图3 可知，工作面超前支承应力总体呈现先急速增大后逐渐减小最后趋于平衡的规律。分析可知，工作面超前支承应力受采动影响可分为以下三个阶段：无采动影响阶段：支承压力在煤壁前方90 m 以外的范围趋于原岩应力，无明显变化；弱采动影响阶段：支承压力在煤壁前方25～90 m 范围内缓慢采动；采动影响剧烈阶段：支承压力在煤壁前方0～11 m 急剧上升，在11～25 m 距离内快速下降，其峰值应力集中系数为1.251～1.593。即工作面开采引起的超前应力扰动范围约为90 m，其中工作面前方25 m 范围内属于影响强烈区。

图3 超长工作面应力分布曲线

2.3 工作面倾向支承应力场分布特征

为进一步研究超长工作面应力场分布特征，对工作面前方5 m、10 m、15 m、30 m、60 m 处实体煤的倾向应力分布特征进行分析，具体如图4。

图4 工作面前方各处的垂直应力分布云图

根据图4 工作面前方不同位置的垂直应力分布特征可知，工作面侧向支承应力分布呈现先增大后减小最后趋于稳定的规律，应力集中区主要集中在巷道两侧10～15 m 范围。距工作面0～15 m 范围内，工作面侧向支承应力分布的变化较大；距工作面30 m 之后工作面中间区域应力趋于原岩应力。

为进一步明确超长工作面倾向支承应力分布规律，在模型煤层顶板上z=23.7 布置x轴方向测线，监测距工作面前方5～90 m 的应力分布情况。具体如图5。

图5 工作面倾向应力分布

由图5 可知，工作面倾向支承应力呈现先增大后减小最后趋于平缓的变化特征，工作面两端呈对称分布。由巷道向工作面方向，工作面应力在0～10 m 范围内急剧增加；随着距工作面距离的增大，峰值应力先增大，后逐渐减小，最后趋于稳定，应力集中系数在10～25 m 内逐渐减少，25 m 之后变化不大。由巷道向煤壁侧9 m 距离内，应力急剧增大至峰值点，距离9～12 m 时逐渐减少，距离超过12 m之后趋于定值。工作面侧向应力随距工作面距离呈现出先急剧增大，再缓慢减小，最后趋于稳定。

2.4 煤壁侧向支承压力

在模型煤层顶板上z=23.7 布置x轴方向测线，对超长工作面前方不同位置的垂直应力进行监测分析，并绘制工作面前方实体煤的侧向应力分布图，如图6 所示。其中图6 的原点位置为进风巷左帮处。

图6 工作面左侧煤体应力分布

由图6 可知，煤体垂直应力值呈现先急剧增大后逐渐减少最终趋于稳定的变化特征。垂直应力随着相对煤壁距离的不同大致分为三个区域：0～11 m 范围内应力急剧增长区，且应力值迅速增大，在11 m 处增加到最大值26.843 MPa（应力集中系数1.53）；11～16 m 范围内应力由峰值逐渐降低，且减少曲率逐渐趋于平缓，该区域为应力递减区；当距离煤壁距离大于25 m 后，垂直应力约等于原岩应力，进入原岩应力区。随着工作面距离的变化，工作面左侧煤壁中应力曲线无明显变化，即工作面左侧煤壁受工作面开采影响较小。