巖層傾角對采動覆巖應(yīng)力演化影響規(guī)律數(shù)值模擬

孫浩然 蘇明清 郝文浩 王 龍

（1.萊蕪鋼鐵集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院）

煤層開采后，煤巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，圍巖應(yīng)力重新分布，研究采動覆巖應(yīng)力演化規(guī)律對預(yù)防沖擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山災(zāi)害有重要意義［1-3］。煤層開采過程中，隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)上部巖層發(fā)生破壞和變形，形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶［4-5］。確定“三帶”的高度，為礦井瓦斯高效抽采提供依據(jù)，對礦井瓦斯和水害治理具有重要作用。

國內(nèi)外學(xué)者對采場采動覆巖應(yīng)力與裂隙場演化規(guī)律方面進(jìn)行了大量研究。婁金福［6］結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析等研究方法，揭示了采動覆巖主應(yīng)力場的拱形動態(tài)演化特征。任有奎［7］對一側(cè)采空工作面上覆巖層的應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)值模擬，分析出不同推進(jìn)距離下采動覆巖應(yīng)力分布和垂直位移演化規(guī)律。王文全［8］研究了千米深井不同采高下應(yīng)力分布規(guī)律。楊舜等［9］研究了開采過程中不同傾角礦體采場覆巖的破壞失穩(wěn)特征，模擬分析了開采過程中采場覆巖的內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律。沈建波等［10］建立三維數(shù)值計算模型，研究了煤層傾角對采場頂板應(yīng)力分布的影響規(guī)律。以上學(xué)者的研究大多是假設(shè)研究煤層為近水平煤層，而實際上大多數(shù)煤層都具有一定的傾角，較少有學(xué)者研究煤層傾角對采動覆巖應(yīng)力與位移場演化規(guī)律的影響。也有部分學(xué)者研究了不同煤層傾角下頂板應(yīng)力分布規(guī)律，但是沒有進(jìn)一步分析工作面位移場演化規(guī)律。

因此，本研究建立近水平煤層和緩傾斜煤層2種模型，采用FLAC3D模擬研究不同開采條件下覆巖應(yīng)力與位移場演化規(guī)律，對比分析煤層傾角對覆巖運動的影響，可為揭示緩傾斜煤層開采上覆巖層活動規(guī)律提供參考。

1 模型建立

以西北某礦緩傾斜工作面為工程背景，建立了近水平和緩傾斜煤層2種FLAC3D數(shù)值模型，分別定義為模型一和模型二，如圖1所示。定義模型一X軸方向為工作面的傾向，Y軸為推進(jìn)方向，Z軸為巖層賦存方向，X、Y、Z軸方向分別取310，200，131 m。定義模型二X軸方向為工作面傾向，Y軸負(fù)向為推進(jìn)方向，Z軸為巖層賦存方向，X、Y、Z軸方向分別取305、200、135 m，煤層傾角為8.4°。在模型一和模型二中，傾向和走向各留30和25 m保護(hù)煤柱，模型周圍各邊界均為水平位移約束，底部為固定位移約束，上部為自由邊界。模型本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。取巖石平均容重為25 kN/m3，側(cè)壓系數(shù)取1.2，施加上覆巖層自重載荷為12.5 MPa，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

2 模擬結(jié)果對比分析

工作面回采期間，各巖層應(yīng)力場和位移場均會發(fā)生改變。為全方位展示不同開采條件下該礦工作面回采期間覆巖應(yīng)力場和位移場時空演化規(guī)律，對平行煤層上方覆巖做水平切面，對平行推進(jìn)方向做豎直剖面，并在距煤層不同距離處布置監(jiān)測線動態(tài)監(jiān)測應(yīng)力和位移。在煤層頂板布置了3條監(jiān)測線，實時監(jiān)測工作面每推進(jìn)30 m時垂直應(yīng)力和垂直位移變化。監(jiān)測線布置在模型中部即X=155 m處；監(jiān)測線共布置3層，距煤層頂板的距離分別為10，25和50 m；監(jiān)測線長度為150 m，每層16個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距為10 m。

2.1 不同開采條件下工作面覆巖應(yīng)力時空演化規(guī)律

工作面回采期間，距煤層頂板不同距離覆巖應(yīng)力見圖2。

由圖2所示，隨著工作面的不斷回采，工作面前方支承壓力不斷增加，覆巖破壞范圍不斷增大；距煤層距離越大，受開采擾動程度即覆巖應(yīng)力和位移變化也會越?。淮怪睉?yīng)力峰值始終保持在工作面前方10 m的位置。隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力降低區(qū)域不斷在擴大，在工作面的前方、巷道兩側(cè)覆巖處和后方保護(hù)煤柱處形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)和集中程度隨工作面推進(jìn)而不斷增大；采空區(qū)處覆巖應(yīng)力較小，這是由于煤層采出，覆巖運移的結(jié)果。隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方覆巖應(yīng)力不斷降低，應(yīng)力降低區(qū)域不斷擴大，應(yīng)力降低顯著區(qū)域約距采空區(qū)頂板15 m；近水平煤層開采時，當(dāng)工作面分別推進(jìn)距離為30 m（Y=55 m）、60 m（Y=85 m）、90 m（Y=115 m）和120 m（Y=145 m），距煤層頂板10 m處，垂直應(yīng)力的峰值大小及位置分別為（17.49 MPa，65 m）、（22.19 MPa，95 m）、（29.31 MPa，125 m）和（32.89 MPa，155 m），緩傾斜煤層開采時，工作面分別推進(jìn)距離為30 m（Y=55 m）、60 m（Y=85 m）、90 m（Y=115 m）和120 m（Y=145 m）時，距煤層頂板10 m處，頂板支承壓力峰值大小及位置分別為（17.22 MPa，65 m）、（22.39 MPa，95 m）、（29.86 MPa，125 m）和（32.30 MPa，155 m），垂直應(yīng)力峰值始終保持在工作面前方10 m的位置。近水平煤層開采覆巖應(yīng)力呈對稱分布，應(yīng)力最大值為38 MPa，緩傾斜煤層開采覆巖應(yīng)力呈非對稱分布，應(yīng)力最大值為40 MPa；緩傾斜煤層在工作面推進(jìn)60 m時，工作面一側(cè)的保護(hù)煤柱出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，而近水平煤層在工作面推進(jìn)120 m時，工作面一側(cè)的保護(hù)煤柱出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中區(qū)；近水平煤層的應(yīng)力降低區(qū)域的范圍明顯是大于緩傾斜煤層的應(yīng)力降低區(qū)域的范圍，近水平煤層采空區(qū)后方應(yīng)力集中區(qū)的峰值小于緩傾斜煤層采空區(qū)后方應(yīng)力集中區(qū)的峰值；隨著工作面不斷推進(jìn)，緩傾斜煤層上覆巖層垂直應(yīng)力的峰值大于近水平煤層上覆巖層垂直應(yīng)力的峰值，在距煤層頂板25 m時最為明顯；緩傾斜煤層開采時在走向距離Y=175 m處所受到的垂直應(yīng)力低于近水平煤層開采時在走向距離Y=175 m處所受到的垂直應(yīng)力。

2.2 不同開采條件下工作面覆巖運移時空演化規(guī)律

工作面回采期間，距煤層頂板不同距離覆巖位移如圖3所示。

如圖3所示，隨著工作面的不斷回采，工作面覆巖破壞范圍不斷增大；距煤層越遠(yuǎn)，受開采擾動程度即覆巖位移變化也會越小；工作面后方采空區(qū)覆巖逐漸壓實，覆巖運移逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時，近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采垂直位移峰值都在走向距離為75 m左右處出現(xiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時，近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采垂直位移峰值都在走向距離為65 m左右處出現(xiàn)，工作面推進(jìn)60 m時，近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采垂直位移峰值都在走向距離為45 m左右處出現(xiàn)，工作面推進(jìn)30 m時，近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采垂直位移峰值都在走向距離為33 m左右處出現(xiàn)。

近水平煤層開采覆巖位移呈對稱分布，緩傾斜煤層開采覆巖位移呈非對稱分布，向工作面一側(cè)聚集；緩傾斜煤層開采覆巖位移峰值大于近水平煤層開采覆巖位移峰值，隨著工作面不斷推進(jìn)，對比越明顯。

2.3 不同開采條件下工作面覆巖“三帶”確定

當(dāng)近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采工作面推進(jìn)至Y=145 m時，Y=115 m處采空區(qū)覆巖垂直應(yīng)力如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至Y=145 m時，近水平煤層和緩傾斜煤層在工作面兩側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，在頂?shù)装鍑鷰r附近形成應(yīng)力降低區(qū)；近水平煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力呈對稱分布，緩傾斜煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力呈非對稱分布；緩傾斜煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力峰值大于近水平煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力峰值；緩傾斜煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力應(yīng)力降低區(qū)明顯大于近水平煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力應(yīng)力降低區(qū)。

當(dāng)近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采作面推進(jìn)至Y=145 m時，Y=115，125，135和140 m處采空區(qū)上覆巖層垂直位移如圖5所示。

如圖5所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至Y=145 m時，后方采空區(qū)距工作面的距離越遠(yuǎn)應(yīng)力降低區(qū)越大，這是由于采空區(qū)覆巖不斷破壞并逐漸趨向穩(wěn)定導(dǎo)致的；近水平煤層采空區(qū)上覆巖層垂直位移呈對稱分布，緩傾斜煤層采空區(qū)上覆巖層垂直位移呈非對稱分布；緩傾斜煤層采空區(qū)上覆巖層垂直位移峰值大于近水平煤層采空區(qū)上覆巖層垂直位移峰值；如圖4（a）和圖5（a）所示，近水平煤層開采距采空區(qū)上方10 m左右，應(yīng)力降低顯著，此區(qū)間頂板下降幅度較大，表明此區(qū)間頂板破壞嚴(yán)重，為冒落帶，如圖4（b）和圖5（b）所示，緩傾斜煤層開采距采空區(qū)上方10 m左右，應(yīng)力降低顯著，此區(qū)間頂板下降幅度較大，并且此區(qū)間并不隨工作面推進(jìn)而增大，表明此區(qū)間頂板破壞嚴(yán)重，即為冒落帶。

當(dāng)近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采作面推進(jìn)至Y=145 m時，Y=115，125，135和140 m處采空區(qū)覆巖塑性區(qū)分布如圖6所示。

由圖6所示，近水平煤層和緩傾斜煤層隨著距工作面越近，塑性區(qū)域范圍不斷減?。辉诰喙ぷ髅嫦嗤嚯x處，緩傾斜煤層發(fā)育高度大于近水平煤層發(fā)育高度，緩傾斜煤層塑性區(qū)域范圍明顯大于近水平煤層塑性區(qū)域范圍；近水平煤層開采覆巖破壞成對稱分布，緩傾斜煤層開采覆巖破壞成非對稱分布，即埋深淺處破壞較嚴(yán)重；近水平煤層開采，距采空區(qū)上方47 m左右為應(yīng)力降低區(qū)，即為裂隙帶區(qū)域；緩傾斜煤層開采，隨著工作面的不斷推進(jìn)，冒落帶以上覆巖破壞區(qū)不斷向上發(fā)育（塑性區(qū)距頂板46～50 m），而當(dāng)距工作面一定距離后，覆巖塑性區(qū)不再變化，此時塑性區(qū)范圍距采空區(qū)上方50 m左右，即為裂隙帶區(qū)域。

3 討 論

在我國大多數(shù)煤層都具有一定的傾角，緩傾斜煤層比較接近煤層的真實賦存情況，但在實際研究過程中，許多學(xué)者假設(shè)研究煤層為近水平煤層，忽略了巖層傾角對覆巖運動的影響，所以建立近水平煤層和緩傾斜煤層的對比模型對研究煤層開采上覆巖層活動規(guī)律具有指導(dǎo)意義。

隨著煤礦工作面的不斷推進(jìn)，煤層傾角對巖層移動與地表沉陷會造成一定的影響，緩傾斜煤層的巖層運動活躍程度高于近水平煤層的巖層運動活躍程度。通過數(shù)值模擬分析確定工作面覆巖“三帶”的范圍，分析煤層應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征，可以定位煤層瓦斯的富集區(qū)域，對研究采動覆巖“三帶”發(fā)育規(guī)律及煤層瓦斯運移規(guī)律有重要作用；可以準(zhǔn)確地判別礦井煤層上方瓦斯有效卸壓抽采區(qū)域，選取合理的鉆場布置方案、恰當(dāng)?shù)你@孔直徑、長度及層位，對瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。根據(jù)垮落帶和裂隙帶的發(fā)育高度可以確定導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，隨著煤層工作面的不斷推進(jìn)，水流會在導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)充分流動，便于監(jiān)測井下水流的流動情況，對預(yù)防礦井水害事故、確保煤礦工作面安全高效生產(chǎn)具有重要作用。

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬分析，隨著工作面的不斷回采，工作面前方支承壓力不斷增加，覆巖破壞范圍不斷增大，垂直應(yīng)力峰值始終保持在工作面前方10 m的位置，近水平煤層的應(yīng)力降低區(qū)域的范圍大于緩傾斜煤層的應(yīng)力降低區(qū)域的范圍，近水平煤層采空區(qū)后方應(yīng)力集中區(qū)的峰值小于緩傾斜煤層采空區(qū)后方應(yīng)力集中區(qū)的峰值，緩傾斜煤層上覆巖層垂直應(yīng)力的峰值大于近水平煤層上覆巖層垂直應(yīng)力的峰值。

（2）通過數(shù)值模擬分析，距煤層越遠(yuǎn)，受開采擾動程度即覆巖位移變化也會越小，緩傾斜煤層開采覆巖位移峰值大于近水平煤層開采覆巖位移峰值，并且隨著工作面不斷推進(jìn)，對比越明顯。

（3）通過數(shù)值模擬分析，近水平煤層和緩傾斜煤層開采距采空區(qū)上方10 m左右，應(yīng)力降低顯著，此區(qū)間頂板下降幅度較大，頂板破壞嚴(yán)重，為冒落帶，近水平煤層開采距采空區(qū)上方47 m左右為裂隙帶區(qū)域，緩傾斜煤層開采距采空區(qū)上方50 m左右為裂隙帶區(qū)域。

（4）通過數(shù)值模擬分析，近水平煤層和緩傾斜煤層隨著距工作面越近，塑性區(qū)域范圍不斷減小；在距工作面相同距離處，緩傾斜煤層發(fā)育高度大于近水平煤層發(fā)育高度，緩傾斜煤層塑性區(qū)域范圍大于近水平煤層塑性區(qū)域范圍。

（5）通過對比分析，近水平煤層開采和緩傾斜煤層開采在工作面覆巖應(yīng)力、覆巖位移和覆巖“三帶”分布都有明顯的差異，不能忽略煤層傾角對采動覆巖應(yīng)力的影響。