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综采工作面覆岩破断规律研究

2024-06-11 55 上传者：管理员

摘要：浅埋煤层开采时，工作面覆岩的力学状况不仅与顶底板岩层的物理力学性质及其自身结构有关，而且还受到煤层、顶底板、岩层产状以及开采强度等因素的影响。文章以泽州天泰能源某矿山浅埋工作面为研究对象，建立综采工作面覆岩应力-位移-裂纹场时空演化数值模拟模型以获取浅埋煤层工作面覆岩破断规律。研究发现，工作面推进过程中，应力集中区位于煤壁及切眼煤壁附近，垂直方向明显变形区主要位于采空区顶板。随采煤工作面推进，工作面覆岩变形破坏延伸至软表层土层，工作面煤壁前方的支承压力逐渐增大；浅埋煤层开采时随着煤层的开采和关键层的破断与垮落，上覆岩层的移动达到地表，回采空间内覆岩仅形成垮落带和裂隙带。

关键词：
支承压力
浅埋煤层
矿压显现
破断规律
综采工作面
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煤炭是我国的基础能源和最重要的原材料之一，对煤矿开采中工作面覆岩裂隙发育特征的探究有重大意义[1,2,3]。文章通过研究顶板、底板的应力分布特征、来压步距与顶板最大破坏范围的相互关系，揭示了煤层采动围岩裂隙扩展与破断规律[4,5,6,7,8,9]。

数值模拟方法既完善了室内试验物理地质条件不足的缺点，又能够较为真实地反映工程的实际情况，成为当下研究开采扰动下覆岩裂隙扩展与破断规律的主要方法。张海军等[10]通过UDEC采场开挖数值软件对河流下厚煤层的开采进行了模拟，得到了不同开采方式下裂隙发育形态以及最大裂隙高度，揭示了采动裂隙发育演化过程及裂隙高度的影响因素。任艳芳等[11]采用FLAC3D数值模拟对晋城某深部煤矿开采下保护煤层后的长壁采动裂隙、顶板岩层应力分布变化、岩层移动和瓦斯流动动力学等方面展开了研究，获得了该深部煤矿现场采空区的受力特性与围岩变形破坏规律。为探究泽州天泰能源某矿山浅埋工作面矿压显现规律以及覆岩裂隙发育演化特征，本文通过数值模拟方法针对浅埋综采工作面覆岩破断规律进行了深入研究。

1、采场围岩矿压显现规律研究

1.1 采场围岩垂直应力演变特征分析

为分析浅埋煤层工作面回采过程中顶板破裂规律及其存在的结构形态，建立如图1所示的FLAC3D计算模型。模型长×宽×高=200 m×50 m×100 m, 采高2.8 m, 煤层倾斜角0°,工作面推进方向沿X轴正方向，单元尺寸长×宽×高=3.3 m×2.5 m×1.5 m, 模型左右及底板采用位移约束条件，顶板施加载荷。

图1 FLAC3D三维计算模型

图2为浅埋综采工作面不同掘进距离岩层竖向应力场分布图。由图 2(a)和图2(b)可知，当工作面掘进至20 m时，在工作面煤壁和切眼煤壁工作面附近形成了明显的应力集中区，最大应力值在煤壁前方约3 m处，约为3.15 MPa, 采空区上覆岩层卸压高度约为20 m, 卸压区呈弧形。当工作面前进至40 m时，工作面和切眼附近仍可见应力集中。最大应力值在煤壁前4 m左右，最大应力值达到3.62 MPa.采空区卸压区呈拱形，高度约为25 m.

由图2(c)和图2(d)可知，工作面推进到70 m、100 m时，工作面煤壁和切眼煤壁附近产生更为明显的应力集中，应力峰值分别为4.50 MPa、4.71 MPa, 应力集中系数为2.250、2.355.结合图2(a)和图2(b)可知，应力集中在工作面推进至70 m后增加变缓，逐渐平稳，这是因为开采后，上覆岩层破断会形成一定结构，具有承载作用。

图2 沿走向方向不同推进距离的岩层垂直应力

综上，在工作面前进方向上可区分出3个特征应力区：增压区、减压区和稳压区。竖向应力的释放主要体现在采空区顶板、底板围岩中，应力集中最大值一般在工作面上前部和切眼煤壁位置。这是因为上覆岩体因开采破坏后，上部应力主要由工作面周围的岩石承载，导致碎石周围的竖向应力增大。从切眼处开始，随着工作面的掘进，采空区上方的卸压区在水平和垂直方向上逐渐增大；由于卸压区延伸至松散表土，与上覆松散表土的低应力区相连，导致松散表土内出现较大的应力释放区，造成大面积的地表破坏。

1.2 采场围岩竖直方向位移特征分析

随着岩体中采动应力的不断传递，工作面上方的岩体通过运动释放能量，工作面开挖后岩体的运动主要体现为从围岩破碎垮落至采空区。顶板岩层的向下运动主要是由自重引起的，煤层卸荷和水平应力的复合影响作用导致工作面侧壁和底部的运动。上覆岩层沿走向剖面的位移场分布，见图3.

图3 沿走向方向不同推进距离的岩层垂直位移

随着工作面推进，明显变形区主要在工作面采空区顶板，并随着工作面推进延伸至上覆松散岩层。在松散层阻力较弱，松散层变形由坚硬岩层的变形引起，在此区域出现横向扩展区域。当工作面前进约40 m时，顶板破坏向松散层延伸，并向上覆松散层扩展，造成广泛的松散层变形损伤并在地表扩展，特点是垂直切落。

1.3 采场围岩塑性区演化特征分析

上覆岩层沿走向掘进过程中的塑性变形特征，见图4.

图4 沿走向方向不同推进距离的岩层塑性位移

在工作面岩体破碎场中，工作面周围岩体大部分处于剪切破坏状态，表明煤层开采后围岩受到了明显的剪切作用。在应力传递过程中，当施加在岩体上的应力大于其自身的阻力时，就会发生岩体破坏。在工作面推进过程中，受采动应力作用，岩石破坏首先发生在采空区煤壁，岩体承载能力受采动影响作用而产生破坏后会急剧降低，应力会向岩层深处传递，破坏区发展直到岩体自身强度大于其所受应力为止。

塑性区破坏发展主要发生在顶板区和上覆岩层。图4(a)中工作面掘进达20 m, 顶板附近区域在拉应力起主要作用时发生塑性拉伸破坏。靠近工作面的煤壁区域，塑性破坏区域较大，顶板破坏高度达10 m, 煤壁破坏以剪切破坏为主，深度约3 m.图 4(b)中，工作面推进至40 m, 顶板塑性破坏高度增加至30 m左右，前煤壁破坏趋向煤壁深处延伸，主要发生剪切破坏。在图 4(c)和图(d)中，随着工作面推进到 70 m 和 100 m, 上覆岩层的塑性破坏区继续扩大导通松散荷载层，导致煤层顶板岩层大面积来压，顶板周期破断形成周期来压。覆岩整体破坏轮廓近似梯形。

2、采场覆岩破断规律的数值模拟研究

以工作面轴向剖面建立UDEC数值计算模型，模型尺寸长200 m, 高100 m, 模型左右边界及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移，下部边界限制y方向的位移。围岩本构关系采用Mohr-Coulumb 模型。每次开挖10～15 m, 共开挖100 m, 所建立的模型如图5所示。

图5 UDEC数值模拟计算模型

图6 显示了工作面推进过程中上覆岩层的运动情况。从图6(a)可以看出，随着工作面的掘进，老顶尚未垮落只是其下位的直接顶跨落了，基本顶与垮落后的直接顶之间存在较大的空间。由图6(b)可知，此时基本顶在采动应力与上覆松散载荷层自重作用下从中间断裂，出现沿煤壁台阶式下沉现象，导致工作面初次来压。图6(c)是工作面推进55 m时上覆岩层的跨落过程和移动状态，此时梁结构变为悬臂梁来承担上覆岩层的载荷，受采动应力与自重应力的叠加作用，覆岩整体切落，此时即产生工作面的第一次周期来压。由图6(d)可知，由于浅埋深薄基岩的影响，上覆基岩不能形成稳定的“砌体梁”结构，每次周期来压上覆岩层会经历裂隙在工作面前方煤壁中产生并发育扩展至松散表土层，切落后在采空区压实的过程。

图6 工作面推进过程中上覆岩层运动情况

此外，从图6可以看出，随着煤层的开采和关键层的破断与垮落，上覆岩层的移动达到地表，回采空间内覆岩基本分成“两带”,即垮落带和裂隙带，没有形成弯曲下沉带，这也是浅埋深薄基岩厚表土层回采工作面覆岩破断与垮落的典型特征之一。

3、结语

1) 通过FLAC3D数值模拟得出：

工作面推进过程中，应力集中区位于煤壁及切眼煤壁附近，垂直方向明显变形区主要位于采空区顶板。随着采煤工作面推进，工作面覆岩变形破坏延伸至软表层土层，工作面煤壁前方的支承压力逐渐增大，影响范围大约在20～30 m.

2) 通过UDEC数值模拟可得出：

浅埋综采工作面来压历时较短但猛烈，且支架动载明显；随着煤层的开采和关键层的破断与垮落，上覆岩层的移动达到地表，回采空间内上覆岩层破断垮落形成垮落带和裂隙带，没有形成弯曲下沉带。

参考文献:

[1]刘晓刚,张震,刘前进.多关键层厚硬顶板覆岩破断运动规律研究[J].煤炭工程,2023,55(5):96-102.

[2]张力,王晓羽,傅鹤林,等.煤矿保护层开采覆岩破断移动特征研究[J].科技通报,2022,38(3):90-94.

[3]王彦敏,蔡先伟,江东海,等.综采工作面覆岩导水裂隙带发育高度研究[J].煤,2022,31(12):21-24.

[4]邓燕华.综采工作面覆岩“两带”发育高度数值模拟研究[J].煤,2022,31(5):78-80.