大采高综采工作面采场围岩应力与运移规律研究*

闫殿华

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030032；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030032；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030032）

1 引言

国内煤矿井下综合机械化采煤工作面地质条件千差万别，不同地质条件下工作面来压强度有所不同，随着开采深度及开采厚度的增大，工作面来压期间应力集中系数变高，覆岩垮落带高度增大，这些都对支架支护强度、可靠性及对围岩的适应性等提出了新的要求[1，2]。此外，当地质条件较为复杂时，多数综采工作面支架对围岩的适应性差，导致支架支护效率降低，有时会出现煤壁片帮、顶板局部冒落等现象，这些都严重制约着我国综采工作面支护技术装备的发展。因此，有必要应用数值模拟、相似模拟等方法系统地研究采场覆岩的应力分布规律、破坏变形规律及支架在不同阶段的受力特征，并在此基础上归纳分析支架支护力变化时围岩运移相对变化规律，为类似大采高支架选型、设计提供科学依据，提高顶板围岩控制效果，保障综采面高效推进。

2 采场围岩应力与运移规律模拟研究

2.1 开采地质条件

陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司N1222综采工作面煤层平均厚度5.6 m，工作面长200 m，推进长度为3000 m。工作面顶板为泥岩及砂质泥岩，夹粉砂岩薄层，见碳质纹层，含白云母碎片及暗色矿物，分选性中等，次圆状，水平波状层理及小型交错、块状层理,含植物叶化石，见镜煤条带，厚0~10.1 m。工作面底板均由泥岩及砂质泥岩组成。泥岩呈灰黑、深灰色薄层状，水平及小交错层理，局部底部有煤线，厚0～0.85 m，零星分布，砂质泥岩为浅灰、灰黑色薄-厚层状粉砂岩，夹细粒，具滑面及菱铁质透镜体，水平及波状层理、缓波状及小型交错层理，厚0～8.83 m，零星分布。

2.2 采场覆岩数值模拟研究

2.2.1 数值模拟研究

采用FLAC3D 对不同开采条件下工作面围岩的应力分布及其变形、破坏规律进行数值模拟研究。为更接近工程实际，对各煤岩体进行了实验室参数测定。根据研究的实际情况，建立模型：走向长度300 m，倾斜长度300 m，高度130 m，模拟埋深320 m，模型两侧限制水平移动，底部限制垂直移动[3]，上部施加均布载荷，模型见图1。

图1 FLAC3D 数值计算模型

2.2.2 上覆岩层位移演化规律

工作面推进时，变形明显区域主要处于工作面采空区域顶板，并随着工作面推进向上覆高层位岩层延伸，在岩层与黏土层交汇区域，位移轮廓出现横向扩展区域[3，4]，随着工作面的推进有继续扩展趋势，当工作面推进至50 m 左右时，顶板破坏延伸至基本顶并进一步向上扩展，随着继续推进，顶板岩层破坏形呈竖直切落特征，见图2。

图2 采动过程中上覆岩层位移演化规律

3 采场覆岩运移相似模拟研究

3.1 实验模型设计及参数选取

实验时将河沙作为模拟岩层的主要材料，辅以熟石膏和大白粉，采用粉煤灰模拟煤层，各材料在混合过程中加入一定量的水。实验根据模型的比例尺、材料的重度比来确定实验的相似配比，所得各岩层的相似材料配比如表1 所示。

表1 相似材料配比

模型根据需要选取几何相似比为1：100，容重相似常数为1.6，弹性模量及强度相似常数为160，时间相似常数7.75。实验模型见图3。

图3 实验模型图

使用由应力传感器、数据线及计算机组成的系统获取采动过程中所受的应力值，煤层覆岩移动变形量使用光学全站仪及百分表来测定。

3.2 工作面覆岩垮落及支架受力规律研究

推进初期，顶板基本保持稳定状态，支架工作阻力较小，基本维持初撑力状态。随着工作面的推进，顶板出现离层但未断裂，采空区上覆岩层应力主要集中于两侧煤壁上，支架受力相对较小，表现为顶梁前部应力略高于后部[5，6]。持续推进，顶板出现离层但未断裂，采空区上覆岩层应力主要集中于两侧煤壁上，支架受力相对较小，表现为顶梁前部应力略高于后部。顶板断裂线位于支架中部靠前，断裂的岩块回转形成新的暂时相对稳定的“砌体梁”结构[5]。继续推进，采空区上覆岩层顶板断裂，断裂线位于支架后部，支架受力表现为后部高于前部。后续推进过程中，上覆岩层顶板断裂线位于工作面煤壁附近，支架承载着断裂岩块全部应力[3，4，6]，见图4。

图4 覆岩断裂线与支架受力状态

3.3 采场矿压规律

根据实际地质条件，通过相似模拟研究得出工作面初次来压步距为44 cm，最大周期来压步距为18 cm，最小步距为10 cm，平均来压步距为13.6 cm，来压期间最大动载系数为1.6，最小动载系数为1.32，顶板断裂线位于支架顶梁中部及靠后区域时动载系数较大，顶板在工作面煤壁切落时动载系数较小[5]。工作面支架压力与推进距离变化关系曲线如图5 所示，来压特征如表2 所示。

表2 顶板来压特征表

图5 覆岩断裂线与支架受力状态

4 结语

采用FLAC3D 对不同开采条件下工作面围岩的应力分布及其变形破坏规律进行数值模拟研究。为了更接近工程实际，对各煤岩体进行了实验室参数测定，分析了不同采高下工作面围岩体应力分布及位移速度变化规律及采动过程中上覆岩应力、破坏及变形规律及支架工作阻力对工作面围岩的控制作用，归纳如下：

（1）随着采高增大工作面覆岩应力先减小后增大，超前应力影响范围先增大后减小，采高为5m时工作面附近高应力区范围最大，应力峰值最小[3]；采高增大后覆岩层运动逐渐强烈，顶板空顶处围岩变形逐渐增大，大量动载作用于煤壁上造成煤壁结构破坏引发片帮，采高大于5m 时煤壁片帮深度大幅度增大，增大了采场围岩维护难度。

（2）随着工作面推进，应力集中区域在煤壁前方持续增大，随后趋于稳定，在采空区侧出现应力释放区，持续增大随后趋于稳定，工作面前方出现应力减压区、增压区和稳压区[2]。

（3）随着采动持续进行，覆岩变形破坏区域由采空区顶板向上扩散，扩散至基岩与松散层交汇处后向横向扩散，之后发生协同变形，产生大幅度破坏变形，对工作面造成冲击，支架应具有一定刚度、强度及抗冲击能力[1，3]。

（4）工作面持续采动下破坏区域由顶板向工作面边缘扩散；由拉应力为主变为剪应力为主，随着持续推进，松散层与岩层发生同步破坏。

（5）支撑力、主动水平推力及护帮力共同作用下可使工作面顶板岩层得到有效控制，主动水平力及护帮板产生的力较小，但对围岩具有十分有效的维护作用。