煤炭开采后覆岩两带高度数值模拟初探

2019.22科学技术创新煤炭开采后覆岩两带高度数值模拟初探
李伟利
（煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽合肥232001）
1工程概况
某矿101采区，1013工作面南至DF14∠60°-65°H=7-40m 断层保护煤柱，北靠F25∠60°-65°H=5-45m 断层与1012外段工作面（未掘进）相邻；西至DF14-1∠65°-75°H=2-15m 断层相邻；
东与101采区三条大巷保护煤柱相邻。

本工作面煤层赋存稳定；煤层厚度0.8-5.2m ，平均4.2m ，属于厚煤层；煤层结构简单，局部含夹矸，夹矸厚0～0.24m,平均0.1m ；煤层倾角10～25°，平均15。

老底为细砂岩，厚度10.05～26.75/17.30m,灰～深灰色，细粒结构，层状构造，
成份石英为主白云母。

暗色矿物次之，夹粉砂岩条带，
具水平层理，含植物茎化石。

2模型的建立及边界条件结合采区工程地质和开采技术条件，运用FLAC 3D 建立了走向长壁工作面开采三维数值模型，模型走向长度640m 、倾向长度540m 、高度640m ，网格划分时对需要重点研究的工作面上覆岩层进行了密化处理，高度方向3~5m/格，推进方向5~10m/格，工作面宽度方向5~10m/格，模型的单元总数为444976，节点总数为494976。

3模拟结果分析为了获得走向长壁开采浅部工作面开采时上覆岩层移动规律及冒落带、裂隙带分布特征，首先对工作面开采后上覆岩层的应力场、位移场等岩层移动规律进行综合分析，然后运用应力判别法对采场上覆岩进行区划，最终对覆岩冒落带、裂隙带的范围进行估计。

3.1不同推进距离情况下采场覆岩走向应力分布特征覆岩宏观应力场演化规律：在煤层开采过程中，原岩应力静态平衡状态被打破，围岩受力状态经历了由三向应力状态到两向或单向受力状态的转变，开采空间周围围岩的应力重新分布，应力逐渐发生转移，在工作面前方煤体中产生应力集中区和卸压区，
采空区上覆岩层产生应力降低；随着煤层的逐步开采，开采扰动强度和扰动影响范围逐渐增大，应力集中程度随开采扰动强度的增大而逐渐增大，最终趋于稳定，采空区上方围岩卸压范围不断增大，卸压程度基本趋于稳定，卸压的高度达到60～70m 。

此外在开采扰动的作用下，应力分布的非均匀性导致煤岩体中应力分布局部集中和变形局部化，这是引起裂隙萌生、扩展、相互作用直至最后贯通破坏的根源，在煤岩体损伤破坏的演化过程中，煤岩体内产生了大量的裂隙并逐渐发育、扩展，形成错综复杂的裂隙网络，待矿山压力显现基本稳定以后，
卸压的高度达到60～70m 。

3.2不同层位覆岩应力分布特征及演化规律以工作面推进100m 距离为例，工作面上方不同层位（+10m 、+20m 、+30m 、+40m 、+50m 、+60m 、+70m 、+80m 、）岩层垂直
应力演化曲线。

由曲线可以看出，煤层开采后，煤岩体中的应力状态发生明显的转变，在工作面上覆岩层中呈现明显且直观的原岩应力区、
应力集中区和应力降低区。

当工作面开采100m 时距离工作面
顶板10m 的岩层中应力受到采动影响最为明显，具体的应力分布为在距离工作面停采线较远的位置处煤岩体为原岩应力状态，在距离工作面80m 的位置处开始进入采动影响区，
应力开始不断升高，距离工作面40m 的位置处扰动影响明显增强，
应力急剧上升形成工作面前方的支承压力，应力峰值约为22.5Mpa ，这也是上覆围岩产生裂隙萌生破坏的主要原因，相反在工作面的后方采空区的上覆围岩中应力明显降低，垂直应力
基本维持在1Mpa 左右，在开切眼的后方实体煤中的应力分布
与工作面前方实体煤上覆围岩中的应力分布规律相似，同样也
形成了应力集中，应力峰值为21Mpa ，这是煤岩体裂隙萌生贯通
的主要力源。

同样在工作面顶板上方的不同层位覆岩的应力场呈现出同样的规律即呈现出围岩应力的应力集中区、应力降低区、原岩应力区，但是不同层位覆岩受到的扰动程度和扰动影响范围是不同的，应力集中系数和卸压的程度是不同的；在工作面上覆+20m 的岩层在工作面前方出现应力集中，应力升高区的峰值为18.75Mpa ，应力集中系数为1.50，应力集中明显区的宽
度为55m ，在采空区上覆岩层中出现卸压区最低应力约2.5Mpa ；在工作面上覆+30~+50m 的岩层中，应力升高区的峰值为
13.75~16Mpa ，应力集中系数为1.1~1.28，应力集中明显区的宽
度为55~60m ，但是应力集中程度减弱，
在采空区上覆岩层中出现卸压区最低应力约2.5Mpa ，卸压幅度降低，
卸压梯度逐渐减小。

综上所述可以看出煤层开采后在工作面上覆岩层应力将重新分布，形成应力升高区和降低区，但是随着距离增高应力集中程度减弱，卸压幅度降低；从应力梯度上来看上覆岩层形成明显
的应力梯度；应力集中会使煤体发生剪切破坏，
并伴随有裂隙的萌生、扩展、贯通，随后应力迅速降低产生应力的转移。

图1（a~d ）为工作面推进不同距离(150m 、200m 、250m 、320m)
时，工作面上方不同层位（+10m 、+20m 、+30m 、+40m 、+50m 、
+60m 、+70m 、+80m 、）覆岩垂直应力演化曲线，
可以看出随着煤层的逐步开采，开采扰动强度和扰动影响范围逐渐增大，
应力集摘要：为了获得走向长壁开采各煤层浅部工作面开采时上覆岩层移动规律及冒落带、裂隙带分布特征，首先对工作面开采
后上覆岩层的应力场、位移场等岩层移动规律进行综合分析，然后运用应力判别法对采场上覆岩进行区划，
最终对覆岩冒落带、裂隙带的范围进行估计。

关键词：冒落带；裂隙带；应力判别法；裂采比；冒采比中图分类号:TD32文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2019)22-0015-02作者简介:李伟利（1985-），男，汉族，安徽淮北人，
本硕均毕业于安徽理工大学采矿工程专业，研究方向为矿山压力与岩层控制。

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科学技术创新2019.22
中程度随之增大。

应力集中区和降低区随着煤层的逐步开采不
断前移，采空区上覆岩层的卸压范围逐步增大，
在采场周围煤岩体内形成的应力集中区和降低区不断前移、采空区上覆岩层卸压范围逐步增大的三维动态演化过程。

具体演化规程如下所述。

综上所述，可以看到采空区上覆岩层随着工作面的推进都
经历了加载和卸荷的复杂过程，
首先经历了应力集中的加载作用致使煤岩体产生加载变形、破坏过程复杂多变、
高应力释放、转移，然后强卸荷作用引起的煤岩体破碎、
大范围开采对煤岩体形成反复扰动。

在工作面上覆岩层+30~50m 的岩层中加卸载过程较为明显，也是最为频繁的，历次加载卸载过程致使裂隙
萌生，也是裂隙发育的主要区域，
在工作面+60~80m 的范围内岩层受到采动影响的幅度相对减弱，
但是同样受到了煤层开采后的反复扰动，裂隙场也将因为介质属性的变化而不断萌生。

4采场围岩冒落带、
裂隙带高度分析岩石是一种抗压强度较高而抗拉强度极低的材料，抗压强度为抗拉强度的10~20倍左右。

因此，如果采空区覆岩三个方
向主应力都为拉应力，该位置处覆岩将产生破坏；
如果某一方向产生拉应力，与该拉应力垂直方向将产生明显裂隙。

根据摩尔库仑定理，如果剪应力超过抗剪强度，覆岩将由于塑性变形而产生微裂缝，因此，可以将覆岩三个方向主应力都为拉应力
范围作为冒落带高度，将塑性范围高度定义为裂隙带高度，
将一个方向主应力为拉应力的范围作为裂隙明显的裂隙带高度。

工作面开采后上覆岩层主应力及主应力梯度曲线，根据上述应力判别准则可以看出开采后上覆岩层三个主应力均出现
卸压，随着距工作面顶板距离的增大逐步恢复到原岩应力，
根据应力曲线，上覆岩层由于受到主关键层和亚关键层的影响曲线局部区域出现了应力汇集区，根据应力梯度曲线可以看出：在覆岩主应力由拉应力变为压应力的区域会出现应力梯度的极值，充分说明了在冒落带和裂隙带的边缘会出现应力迅速衰减。

根据此判断准则可以判断出冒落带高度为21.7m 、裂隙带高度为65.7m ，冒采比和裂采比分别为5.51、16.68。

5主要结论
5.1在煤层开采过程中，原岩应力静态平衡状态被打破，围岩受力状态经历了由三向应力状态到两向或单向受力状态的转变，开采空间周围围岩的应力重新分布，应力逐渐发生转移，
在工作面前方煤体中产生应力集中区和卸压区，
采空区上覆岩层产生应力降低；随着煤层的逐步开采，
开采扰动强度和扰动影响范围逐渐增大，应力集中程度随开采扰动强度的增大而逐
渐增大，最终趋于稳定，采空区上方围岩卸压范围不断增大，
卸压程度基本趋于稳定，卸压的高度达到60～70m 。

此外在开采扰
动的作用下，应力分布的非均匀性导致煤岩体中应力分布局部
集中和变形局部化，这是引起裂隙萌生、
扩展、相互作用直至最后贯通破坏的根源。

5.2采空区上覆岩层随着工作面的推进都经历了加载和卸荷的复杂过程，首先经历了应力集中的加载作用致使煤岩体产
生加载变形、破坏过程复杂多变、
高应力释放、转移，然后强卸荷作用引起的煤岩体破碎、大范围开采对煤岩体形成反复扰动。

在工作面上覆岩层+30~50m 的岩层中加卸载过程较为明显，
也是最为频繁的，历次加载卸载过程致使裂隙萌生，
也是裂隙发育的主要区域，
在工作面+60~80m 的范围内岩层受到采动影响的幅度相对减弱，但是同样受到了煤层开采后的反复扰动，裂隙场也将因为介质属性的变化而不断萌生。

参考文献
[1]徐芝纶.弹性力学(第三版上册)[M].北京:高等教育出版社,1990:361-371.
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图1工作面推进（150m 、200m 、250m 、320m ）顶板覆岩应力场演化
特征
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