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基于数值模拟的厚煤层回采期间覆岩采动应力及能量变化研究

2024-12-13 70 上传者：管理员

摘要：为揭示厚煤层回采过程中的覆岩采动应力及能量演化规律，采用FLAC3D进行模拟，分析厚煤层回采期间覆岩“应力场-能量场-裂隙场”演化特征。结果表明，回采期间工作面前方出现超前支承压力，应力最大值距离煤壁5 m,应力集中系数从1.28增至1.79,工作面前方应力集中区超前影响范围约为45 m。煤层回采完毕，顶板发生垮落，采空区中部形成新的支撑点，最大集中应力为31.2 MPa,弹性能最大值降低至98.73 kJ,此时，采空区中部压实区积聚部分弹性能，为26.17 kJ。开切眼处两巷覆岩弹性能逐渐增加后保持稳定，最大值为21.57 kJ,巷道中部覆岩弹性能持续降低，而停采线处弹性能先小幅度增加后降低。顶板出现大面积拉伸破坏，从下到上依次分为拉伸破坏区、剪切破坏区和未破坏区。

关键词：
应力集中
损伤破坏
数值模拟
深部厚煤层
覆岩运动规律
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我国的厚煤层具有丰富的储量和广泛的分布，使其成为我国高效开采的首选煤层[1-2]。但随着浅部资源开采的日益枯竭，深部煤层开采成为趋势，在进入深部煤层开采后，由于岩石周围复杂环境的影响，开采过程中容易产生冲击地压等各种灾害[3]。深部厚煤层回采时易形成较大的采空区，产生的采动应力范围更广，导致覆岩破断和底板鼓起开裂等围岩严重变形问题[4]。因此，为满足深部厚煤层的安全高效开采，掌握厚煤层回采期间覆岩应力演化与能量分布的规律就显得尤为重要。

针对厚煤层开采的覆岩运动规律，国内学者做了大量研究[5-7]。于斌等[8]对特厚煤层工作面在周期来压期间瓦斯异常涌出问题，从能量角度探讨顶板破断对采空区的影响过程，建立一个用于计算采空区瓦斯涌出增加量的模型，并与现场实际测量数据进行了比较。李运城、刘长友等[9-10]分别针对黄土沟壑区、沟谷地区因浅埋厚煤层开采引发的灾害问题，采用综合研究方法，对煤层开采过程中的动载矿压发生机理以及覆岩导气裂缝的动态变化特性进行了深入分析。朱志洁等[11]通过数值模拟和现场实测数据对比验证的方法分析工作面不同推进速度与矿压显现之间的关系。樊克松等[12]针对采高、采深2个变量，通过现场实测对厚煤层回采时的地表移动变形规律进行了研究，并在室内构建相似模拟试验验证了结论的合理性。贺斌等[13]以大柳塔煤矿工作面为例，采用现场实测与理论计算的方法确定煤层开采覆岩“三带”高度，并与常用经验公式进行对比，为施工过程提供参考。来兴平等[14]采用室内相似模拟试验，对急倾斜巨厚煤层回采期间的能量传递进行研究，通过数值模拟揭示了开采深度对煤岩体弹性能与水平应力的影响关系，从而掌握煤层开采引发灾害的能量动态响应特征。

综上，现有文献对厚煤层回采期间，顶板破断规律及顶板应力、位移、能量动态演化规律均有涉及。但较少从应力场—能量场—裂隙场方面研究覆岩演化特征。为此，通过采用FLAC3D构建模型分析煤层回采期间覆岩采动应力-能量演化特征，为厚煤层安全回采提供参考。

1、数值模拟方案

1.1 工作面概况

某矿位于新疆哈密市大南湖矿区一号井田，主采4号煤层，该工作面煤层平均埋深约为584 m, 煤层平均倾角1°,煤层平均厚度6 m左右，赋存稳定，为近水平煤层；工作面倾向长232 m, 走向长280 m; 顶板岩性以泥岩、粗粒砂岩、细粒砂岩为主，底板以泥岩为主，顶部覆盖有102 m的土层，属于稳定、构造简单地层。

1.2 模型建立

通过数值模拟软件FLAC3D建立计算模型，如图1所示。考虑到倾角对模型的主要研究目标影响不大，为了简化模型，提高计算效率，本模型不考虑倾角问题，因此煤层倾角取0°。鉴于工作面回采时覆岩影响范围以及数值模拟的计算便利性，本次模拟设置模型尺寸356 m×400 m×208 m(X×Y×Z),其中，X轴正向代表煤层倾向，Y轴正向代表煤层走向，Z轴正向代表岩层赋存方向。天然地应力场为自重应力场，计算采用Mohr-Coulomb模型。模型下部固定，上部为自由边界，四周限制水平方向位移，静态压力系数取值为1.1,模型共划分10层煤岩层，较真实的反应了其赋存条件，并在上部边界施加9.3 MPa的等效载荷来模拟上部岩层[15]。本次模拟厚煤层开采过程采取分步进行，模拟回采区域工作面长度为232 m、走向长度为280 m, 单次推进距离为70 m, 共4次完成回采过程。为使模拟结果更为合理，消除边界影响，回采区域的四周都预留有宽度为60 m的煤柱。煤岩层物理力学参数见表1。

图1 FLAC3D模型

表1 煤岩层物理力学参数

2、模拟结果分析

2.1 采动覆岩应力演化特征

工作面回采期间覆岩应力云图如图2所示。由图2可知，随着煤炭资源被采出，采空区逐渐形成，在采空区的上方形成应力降低区。随着工作面的持续回采，应力降低区范围持续扩大、工作面前方的支承压力也在持续增加，覆岩的破坏范围也在不断扩大，距工作面煤壁越远，受煤层采动影响程度越小，覆岩应力和位移变化也会越小。在回采初期，采场应力重新分布，无论是在开切眼的位置还是工作面前方的煤壁位置，都观察到了应力集中现象，煤体支撑作用明显，最大集中应力为25.4 MPa, 而采空区上部岩体重量向周围新的支撑点转移，采空区上部岩体应力得到较好的释放，呈现低应力分布特征，形成应力降低区，呈“拱形”分布。

当工作面回采至140 m时，应力集中进一步变大，达30.2 MPa, 同时采空区卸压拱高度向上增加，卸荷程度进一步扩大。当工作面回采至280 m时，顶板发生垮落，采空区中部形成新的支撑点，最大集中应力为31.2 MPa, 新支撑点与开切眼和煤壁之间各形成一处应力降低区。

图2 工作面回采期间覆岩应力云图

上覆岩层垂直应力曲线图如图3所示。由图3(a)可知，工作面回采完毕出现垮落，形成应力集中区，并且距离煤层越远，集中应力越低；距煤层底板86 m以内，位于开切眼和停采线处覆岩垂直应力无较大差别，距煤层底板86 m以上，覆岩应力随着距离的增加而降低。由图3(b)可以观察到，随着工作面的不断回采，采空区中部出现应力降低区，位于开切眼和工作面煤壁处覆岩出现前后支承压力点，应力最大处距离煤壁5 m, 并且随着回采距离的增加，峰值越大，应力集中系数从1.28增至1.79,直至工作面前方125 m处恢复原岩应力水平；当顶板垮落，采空区被压实，最大集中应力位于采空区中部后方，达到29.8 MPa; 总体来说，工作面前方应力集中区超前影响范围约为45 m。

2.2 采动覆岩能量演化特征

随着煤炭资源的不断采出，顶板岩层发生弯曲下沉并积聚大量弹性能，同时，煤体在上覆岩层压缩作用下发生弹性变形，积聚能量，为煤岩体动力失稳提供了内在动力。煤岩体弹性能可由式(1)计算：

式中，μ为材料泊松比；E为材料弹性模量，GPa;σ1,σ2,σ3为煤岩体中3个方向的主应力，MPa。

通过FLAC3D模拟软件中的Fish语言进行编程，从而得到弹性能分布，获得工作面回采期间覆岩弹性能云图，如图4所示。

由图4可知，随着工作面推进距离的增加，上覆岩层重力势能转化为弹性能，由于煤体被采出，导致煤岩体弹性能主要积聚在开切眼及工作面煤壁处。此外，煤体作为主要储能结构，其弹性能密度远大于岩体。煤层回采过程中，由于工作面前方超前支承的压力范围内出现应力集中现象，导致能量达到峰值。同时，距离工作面煤壁越远，应力集中程度越低，能量也越小。当工作面回采至70m时，工作面前方煤体弹性能峰值为113.95kJ,直至回采至210m达到最大，为168.75kJ。当工作面回采至280m时，顶板发生垮落，弹性能最大值降低至98.73kJ,此时，采空区中部压实区积聚部分弹性能，为26.17kJ,工作面前后方弹性能向上发展，与顶部贯通。

图3 上覆岩层垂直应力曲线

图4 工作面回采期间覆岩弹性能云图

距煤层底板12 m处两巷覆岩弹性能曲线如图5所示。由图5可知，随着工作面的不断回采，开切眼处覆岩弹性能逐渐增加后保持稳定，从13.41 kJ增至21.57 kJ,增幅60.85%,巷道中部覆岩弹性能持续降低，特别是第4次回采时覆岩弹性能大幅度降低，而停采线处弹性能先小幅度增加后降低。总体来看，开切眼位置的覆岩弹性能总是大于停采线位置的覆岩弹性能。

2.3 采动覆岩塑性破坏特征

工作面回采期间覆岩塑性区云图如图6所示。由图6可知，由于工作面受到开采扰动的影响，导致顶板及覆岩经历了断裂、坍塌、弯折和下沉等一系列动态变化，这些变化从煤层的顶部逐步上升到地面，导致了地面的沉降。

当工作面推进至70 m时，塑性区发生明显变化，呈“拱形”分布，上覆岩层主要发生剪切破坏，产生裂隙，底板发生小部分破坏。当工作面推进至140 m时，覆岩塑性破坏的范围再次扩大。当工作面推进至210 m时，在开切眼处与工作面煤壁覆岩塑性破坏有上升的趋势。当工作面推进至280 m时，顶板出现大面积拉伸破坏，进而发生破断垮落，塑性区向上发育直至贯通，近似对称发育分布，从下到上依次为拉伸破坏区、剪切破坏区和未破坏区。

图5 距煤层底板12 m处两巷覆岩弹性能曲线

图6 工作面回采期间覆岩塑性区云图

3、结论

(1)通过数值模拟，得到了厚煤层回采期间采动应力及能量演化特征。煤层回采后，采空区上方形成应力降低区，工作面前方出现超前支承压力，应力最大处距离煤壁5 m, 应力集中系数从1.28增至1.79,直至工作面前方125 m处恢复原岩应力水平，超前影响范围约为45 m, 煤层回采完毕，顶板发生垮落，最大集中应力位于采空区中部后方，为29.8 MPa。

(2)煤体作为主要储能结构，其弹性能密度远大于岩体。开切眼处覆岩弹性能逐渐增加后保持稳定，从13.41 kJ增至21.57 kJ,增幅60.85%,巷道中部覆岩弹性能持续降低，特别是第4次回采时覆岩弹性能大幅度降低，而停采线处弹性能先小幅度增加后降低。

(3)煤层回采完毕，顶板出现大面积拉伸破坏，从下到上依次分为拉伸破坏区、剪切破坏区和未破坏区。

参考文献:

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