特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究_来兴平.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究 来兴平 1,2， 李军伟1， 崔 峰 1,2， 单鹏飞1,2 （1．西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054； 2．西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054） 摘要 为了掌握相邻工作面煤层开采后覆岩运移规律， 采用 FLAC 有限元软件模拟某矿相邻工 作面先后开采后覆岩应力、 位移和塑性破坏特征。结果表明 相邻采空区残余支承压力在中间区 段煤柱叠加， 煤柱覆岩在极大应力的作用下产生较大的垂直位移和剪切破坏， 使得两侧采空区 高位覆岩向下同步运动； 采空区覆岩随工作面回采呈现 “增大-稳定” 的拱形破坏， 沿倾向形成双 拱破坏， 其与中间煤柱覆岩较大的剪切耦合形成 1 个横跨两采空区的破坏拱。最后通过现场钻 孔窥视证实覆岩运移破坏特征， 并结合经验公式得到相邻工作面开采覆岩 “两带” 破坏高度取估 算上限值更为合理。 关键词 特厚煤层； 相邻工作面； 数值模拟； 采动应力； 覆岩运移和破坏 中图分类号 TD325文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0070-06 Study on Overlying Strata Movement in Mining Adjacent Working Face of Extra Thick Seam LAI Xingping1,2, LI Junwei1, CUI Feng1,2, SHAN Pengfei1,2 （1．College of Energy Resources, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China;2．Key Laboratory of Mine Mining and Disaster Prevention of the Ministry of Education, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China） Abstract In order to master the movement law of overlying strata after coal mining in adjacent working faces, FLAC finite element software was used to simulate the sequential mining of adjacent working faces in a mine, and the stress, displacement and plastic failure characteristics of overlying strata after mining were analyzed． The results showed that the residual supporting pressure in adjacent mined -out areas was superimposed on coal pillars in the middle section, resulting in large vertical displacement and shear failure of overlying strata under the action of maximum stress, resulting in simultaneous downward movement of high overlying strata in both mined-out areas． The goaf overburden presents an “increasing-stabilizing”arch failure with the stoping of the working face, ing a double arch failure along the inclination, and a large shear coupling with the middle pillar overburden s a destruction arch spanning the two goafs． Finally, the characteristics of overburden migration and failure are confirmed by drilling and peeping in the field, and it is more reasonable to take the estimated upper limit value for the failure height of the“two zones”of overburden mining in the adjacent working face according to the empirical ula． Key words extra thick coal seam; adjacent working face; numerical simulation; mining stress; overburden movement and destruction 埋藏于地下工作面的煤层开采会引起覆岩原岩 应力状态发生变化，导致覆岩产生位移变形和破 坏，进而形成覆岩的垮落带和断裂带，以往对于采 动覆岩运移和破坏规律多集中于单一工作面煤层开 采条件的研究[1-9]， 然而覆岩运移破坏是 1 个复杂的 时间和空间问题，采空区覆岩运移破坏不仅与本工 作面煤层开采有关，而且受相邻工作面煤层开采的 影响，王建军采用软件计算得到相邻工作面开采后 地表变形值小于 2 个工作面单采后的变形值的累加 和[10]， 张恒讨论了两侧采动范围不同时孤岛覆岩断裂 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．016 来兴平， 李军伟， 崔峰， 等．特厚煤层相邻工作面开采覆岩运移规律研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 70-75． LAI Xingping, LI Junwei, CUI Feng, et al． Study on Overlying Strata Movement in Mining Adjacent Working Face of Extra Thick Seam ［J］ ． Safety in Coal Mines， 2020， 51 （2） 70-75． 移动扫码阅读 70 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 破坏特征[11]， 杨友伟通过 FLAC3D数值模拟分析得到 工作面推进支承压力分布规律与不同错距时两相邻 工作面支承压力叠加的影响特征[12]， 朱广安指出相 邻多个工作面采空区上覆岩层大范围的协同破断和 运动是孤岛煤柱冲击矿压的主要诱因[13]， 何满潮运 用 FLAC3D数值模拟对相邻工作面区段煤柱 4 种不 同开采方式的应力分布特征进行了数值模拟和对比 分析[14]， 郝建研究得到孤岛工作面长度大于相邻工 作面支承压力影响范围之和时，孤岛工作面支承压 力无法叠加， 工作面较安全[15]， 王旭涛采用 FLAC3D数 值模拟大倾角厚煤层一次全高开采相邻两工作面基 本顶的初次来压步距、周期来压步距以及支承压力 系数进行了分析[16]。以上作者分别对相邻采空区支 承压力分布、覆岩协同破坏运动以及孤岛工作面受 相邻采空区影响研究，较少系统地从相邻工作面先 后开采后空间应力、位移与破坏演化方面研究覆岩 运移破坏规律。基于此，以某矿 2 个典型相邻特厚 煤层工作面为背景， 通过 FLAC3D数值模拟得到相邻 工作面先后回采覆岩应力、位移和破坏数据，应用 Origin 数据处理软件绘制三维空间应力和位移云 图，结合覆岩三维破坏特征研究覆岩运移破坏规 律，最后通过现场覆岩钻孔窥视探测证实覆岩运移 破坏特征，并结合经验公式得到相邻工作面开采覆 岩更为合理的 “两带” 破坏高度， 为煤炭安全开采提 供科学依据。 1工程地质条件 模拟 2 个相邻的上下区段工作面分别为某矿 4 煤层的 1141 工作面和 1143 工作面，该煤层埋深 613～619 m 左右，倾角 0～3，平均厚度为 6 m 左 右， 分布稳定， 属于浅埋近水平特厚煤层。两相邻工 作面走向长 800 m， 倾向长 240 m， 中间区段煤柱宽 度 40 m， 应用大采高综采开采方法。覆岩地层岩性 主要以不同粒度的粗粒砂岩、 砾岩、 泥岩、 细粒砂岩 及少量中粒砂岩组成，最上层有 92 m 左右的土层 覆盖， 总体形态为走向西北-东南， 倾向北东的单斜 构造， 地层倾角 0～7， 地质勘探没有断距大于 20 m 的断层及其它构造， 属于稳定、 构造简单地层。 2FLAC 数值模拟模型建立 2．1模型建立 以 4煤层相邻的 1141 工作面和 1143 工作面 为对象，运用 FLAC3D有限元软件建立三维计算模 型，模拟采动覆岩的应力、位移和塑性破坏演化特 征， 考虑到工作面开挖覆岩影响范围、 围岩变形的协 调性以及数值模拟计算方便， 建立 680 m1 000 m 539 m 的模型，其中 x 轴为工作面倾向方向， y 轴为 工作面推进方向， z 轴为垂直地层方向， 模型共划 分 387 600 个单元和 404 202 个节点；模型四周边 界为单约束边界， 下部边界为全约束边界， 即水平和 垂直方向均固定， 上部边界为自由边界； 模型共模拟 14 层煤岩层， 由于没有对黄土层进行模拟， 故在上 部边界施加 1．64 MPa 的等效荷载； 模拟 4煤层沿 x 方向布置 2 个工作面 （上、 下区段工作面） ， 工作面 倾向长度均为 240 m， 走向长度均为 800 m， 两工作 面间留 40 m 的区段煤柱， 为避免边界效应， 模型留 不小于 80 m 边界， 三维模型如图 1。 2．2破坏准则的确定 根据现场地质资料和对采集的岩石力学试验结 果， 三维数值计算采用莫尔-库仑 （Mohr-Coulomb） 屈服准则描述煤岩体的破坏行为 fs＝σ1-σ3 1＋sinφ 1-sinφ -2c 1＋sinφ 1-sinφ■ （1 ） 图 1三维模型示意图 Fig．1Schematic diagram of 3d model 71 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 式中 fs为屈服函数； σ1、 σ3分别为最大和最小 主应力； c、 φ 分别为黏聚力和内摩擦角。 当 fs0 时， 材料将发生剪切破坏； 在通常应力状 态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度 准则 （σ3≥σT） 判断岩体是否产生拉破坏， σT为抗拉 强度；破碎岩体在极限应力状态下的应力状态和岩 石强度参数之间的关系采用库仑准则表示， 即 τ cσtanφ（2） 式中 τ 为剪切面上的剪应力； σ 为剪切面上的 正应力。 2.3煤岩体物理力学特性 根据现场开采以及试验的需要，采集了工作面 周围煤岩样品， 完成单轴和三轴岩石力学参数试验， 获得煤与岩体的定量物理力学参数 （表 1） ， 为三维 数值计算提供了可靠的依据。 3数值模拟结果分析 数模拟中上下区段工作面分别对应矿井的1141 表 1煤岩体力学参数 Table 1Mechanical parameters of coal and rock 岩性厚度/m密度/ （kg m-3）抗压强度/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/ （ ）黏聚力/MPa弹性模量/GPa泊松比 黄土 粗粒砂岩 砾岩 粗粒砂岩 砾岩 泥岩 粗粒砂岩 泥岩 中粒砂岩 泥岩 细粒砂岩 粗粒砂岩 泥岩 4煤 泥岩 92 105 40 135 37 47 4 10 23 34 26 27 11 6 30 1 786 2 290 2 430 2 260 2 370 2 320 2 300 2 310 2 310 2 320 2 330 2 260 2 310 1 310 2 310 0.011 18.89 23.20 16.12 34.86 27.83 28.00 41.70 47.25 36.70 31.73 34.89 40.00 29.90 40.00 0.001 8 0.890 0 1.080 0 0.730 0 1.390 0 1.170 0 1.140 0 1.650 0 1.930 0 1.440 0 1.210 0 1.480 0 1.640 0 0.620 0 1.640 0 14.00 37.29 38.27 36.94 38.80 37.79 38.04 39.01 38.68 38.74 38.14 39.43 39.45 38.24 39.45 0.30 1.75 2.15 1.42 2.72 2.27 2.31 3.02 4.10 2.79 2.40 2.85 3.01 0.94 3.01 0.01 8.4 10.1 7.7 13.3 11.0 11.2 15.1 17.3 14.0 11.5 14.0 15.8 3.2 15.8 0.30 0.20 0.19 1.54 0.17 0.19 0.20 0.18 0.17 0.17 0.17 0.17 0.20 0.20 0.20 工作面与 1143 工作面，工作面模拟采高为 6 m， 模 拟推进步距 10 m， 即工作面回采 10 m 进行 1 次模型 计算，采集工作面回采 200、 400、 600、 800 m 时采空 区覆岩的应力和位移数据制作三维云图，结合覆岩 走向和倾向塑性破坏从三维空间角度对比分析相邻 工作面回采后覆岩应力、 位移及塑性破坏演化特征。 3.1采动覆岩应力演化特征 工作面回采的过程中破坏了覆岩的原岩应力场 平衡状态，引起了应力重新分布，位于采空区低位 岩层垮落，垂直应力得到释放，应力值随着回采趋 于 0 MPa， 位于采空区高位岩层形成稳定结构， 将岩 层质量传递至采空区周围新的支承点，在采空区四 周形成支承压力带，采集工作面覆岩 10 m 层位在 不同推进距离的垂直应力数据，绘制的采动覆岩垂 直应力演化特征如图 2， 由图 2 可知， 覆岩原岩应力 为 13 MPa， 在上区段工作面回采过程中， 工作面前 方 70～100 m 形成超前支承压力，压力峰值距工作 面煤壁 20～30 m， 应力增高系数为 1.5～1.9， 随工作 面采过一段距离后， 采空区周围 60～80 m 形成 1 种 稳定的残余支承压力，压力峰值距采空区煤壁 10～ 20 m， 应力增高系数 1.5～1.7； 在下区段工作面推进 400 m 时，上区段采空区在中间区段煤柱侧的残余 支承压力与下区段的工作面超前支承压力叠加， 在 工作面煤体与区段煤柱的拐角形成较高的支承压 力， 应力增高系数可达 1.9～2.2； 在下区段回采工作 面的后方，相邻采空区侧向支承压力相互叠加， 在 区段煤柱上形成 1 种单峰值的叠合支承压力，峰值 应力增高系数为 2.2～2.4，当下区段工作面回采结 束，相邻采空区垂直应力在中间区段煤柱上的叠加 峰值应力增高系数达到 2.4～2.9。 3.2采动覆岩位移演化特征 工作面煤层回采过程中，后方采空区上部岩层 由于失去支承而向采空区内逐渐移动、 弯曲和破坏， 从而产生向下的垂直位移，覆岩破坏随着回采工作 面的不断推进，逐渐从采空区低位岩层向高位岩层 扩展， 采动覆岩垂直位移演化特征如图 3， 当上区段 工作面推进 200 m， 采空区覆岩 10～170 m 层位产生 最大垂直位移为 1.77、 1.47、 1.13、 0.89、 0.69 m， 采空 72 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2采动覆岩垂直应力演化特征 Fig.2Evolution characteristics of vertical stress in mining overlying strata 图 3采动覆岩垂直位移演化特征 Fig.3Evolution characteristics of vertical displacement in mining overlying strata 区上方低位岩层位移大于高位岩层；在工作面推过 一定距离后，覆岩垂直位移随回采趋于稳定，工作 面从 200 m 推进至 800 m， 采空区覆岩 10 m 层位产 生最大垂直位移为 1.77、 2.52、 3.36、 3.61 m； 下区段 工作面开采， 后方采空区覆岩不同层位垂直位移随着 工作面回采逐渐趋于稳定值 （同上区段相似） ， 中间 区段煤柱覆岩在极大应力的作用下产生垂直位移， 当工作面推进至 800 m，煤柱上方高位岩层垂直位 移产生较大的垂直位移， 煤柱覆岩 170 m 层位最大 垂直位移最终稳定在 4.12 m。相邻上下区段采空区 高位覆岩垂直位移在煤柱上方耦合同时向下运动。 3.3采动覆岩塑性破坏分析 工作面煤层开采会导致采空区覆岩发生不同程 度破坏，从而使覆岩出现垮落带和导水断裂带， FLAC3D数值模拟通过塑性区展现覆岩的破坏， 采动 覆岩破坏演化特征如图 4， 工作面煤层开采， 采空区 上方覆岩产生拉裂破坏，两端覆岩产生剪切破坏， 覆岩拉裂破坏沿走向形成 1 个拱形，拱顶和拱脚分 别位于采空区上方与两端，随着工作面推进，破坏 拱高度上升， 即工作面从 200 m 推进至 800 m， 拱高 度依次为 23、 35、 43、 43 m，覆岩破坏高度呈现“增 大-稳定” 趋势。同时， 覆岩拉裂破坏沿倾向也是 1 种拱形破坏， 在上区段工作面回采结束时， 采空区覆 岩拱形的高度为 43 m， 下区段工作面结束， 覆岩沿 倾向形成双破坏拱结构，上区段采空区破坏拱高度 上升至 59 m，下区段采空区覆岩破坏拱高度达到 51 m， 中间区段煤柱覆岩在极大的应力作用下产生 了较高的剪切破坏，两侧采空区破坏拱与中间剪切 73 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 破坏耦合形成 1 个横跨 2 个采区的破坏拱，拱形高 度达到了 74 m。 4覆岩破坏现场监测及经验估算 4．1现场监测分析 矿井工作面在回采过程，为了解采空区覆岩破 坏情况，对覆岩进行钻孔窥视，窥视钻孔布置在工 作面中部与两端液压支架架前， 以 ZDY1000 钻机及 其配套钻杆向采空区覆岩进行施工，孔径 75 mm， 孔深 60～80 m， 仰角 70， 钻孔窥视采用 YSZ （B）钻 孔窥视仪， 测量深度能够达到 80 m。为探明随工作 面推进采空区覆岩破坏， 每推进 100 m 进行 1 次钻 孔窥视，统计分析每次钻孔窥视探测的破碎岩层和 裂隙岩层临界深度，求解钻孔深度的正弦值 （h cos70） 得到工作面整个回采过程采空区覆岩破坏 高度情况， 随工作面推进覆岩破坏特征如图 5， 由图 5 可知， 覆岩破坏随工作面回采呈现 “增大-稳定” 趋 势，沿工作面倾向方向，采空区中部覆岩破坏高于 两端， 在 1141 工作面回采结束时， 中部垮落带和断 裂带高度分别为 15．65 m 与 32．65 m， 两端高度分别 均为 11．14 m 与 23．26 m 左右，采空区覆岩沿工作 面倾向形成 1 个拱形破坏； 在 1143 工作面回采结束 时，其采空区中部垮落带和断裂带高度达到 22．94 m 与 45．36 m， 上端头高度 （区段煤柱侧） 达到 19．01 m 与 39．79 m， 下端头高度为 13．02 m 与 33．30 m， 相 邻采空区覆岩沿工作面倾向形成双拱形破坏，且破 坏拱高度整体上升，耦合形成 1 个横跨两侧采空区 的破坏拱。采空区覆岩钻孔窥视结果证实了数值模 拟覆岩破坏特征，即采空区覆岩破坏随工作面回采 呈现 “增大-稳定” 趋势， 相邻采空区覆岩沿倾向形 较大的双拱形破坏，耦合形成 1 个横跨两采空区的 破坏拱。 4．2覆岩 “两带” 经验估算 现场实测中覆岩钻孔窥视探测采空区前端 （60～80 m） cos70 范围内覆岩破坏状况，从数值模 拟结果可知采空区覆岩破坏沿走向呈现拱形破坏， 即采空区中部破坏高度大于两端破坏， 因此， 覆岩钻 孔窥视得到最终的 “两带” 破坏高度需要结合经验公 式进行适当的增大；根据覆岩断裂带和垮落带破坏 图 4采动覆岩破坏演化特征 Fig．4Failure evolution characteristics of mining overlying strata 图 5随工作面回采覆岩破坏特征 Fig．5Failure characteristics of overlying strata with mining working face 74 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 高度计算经验公式，结合 4煤层开采地质条件， 确 定垮落带和断裂带高度理论公式 Hk 100∑M 4．7∑M＋19 2．2（3） Hli 100∑M 1．6∑M＋3．6 5．6（4） 式中 ∑M 为煤层的累计开采厚度， m； Hk为垮 落带高度， m； Hli为断裂带高度， m。 4煤层的赋存厚度为 6 m， 工作面的采高∑M 6 m， 通过计算 煤层开采后垮落带高度 Hk为 7．1～ 18．3 m， 断裂带高度 Hli为 39．9～51．1 m。 与采空区覆岩 “两带” 破坏高度估算结果相比， 可以发现相邻工作面采后实测垮落带最终稳定高度 22．94 m 和断裂带最终稳定高度 45．32 m 接近相应 估算的上限高度，且数值模拟最终横跨两采空区破 坏拱高度 59 m 接近估算断裂带上限高度 51．1 m， 即估算断裂带上限高度处于实测高度和数值模拟高 度之间， 因此矿井 4煤层开采导致覆岩 “两带” 破坏 高度取估算上限值比较合理。 5结论 1 ） 相邻工作面煤层开采， 两侧采空区侧向残余 支承压力在中间段煤柱形成应力增高系数为 1．9～ 2．9 的叠加支承压力， 在极大的应力作用下， 中间区 段煤柱覆岩产生较大的垂直位移和塑性破坏，两侧 采空区高位覆岩垂直位移在煤柱上方耦合同时向下 运动。 2） 采空区覆岩沿走向和倾向形成拱形破坏， 走 向破坏拱高度随工作面回采呈现“增大-稳定” 趋 势， 在相邻工作面开采后， 覆岩沿倾向形成 2 个较大 的双拱形破坏，与中间区段煤柱较大的剪切破坏耦 合， 构成横跨两采空区更大的破坏拱。 3） 采空区钻孔窥视证实覆岩破坏随工作面回采 呈现 “增大-稳定” 趋势， 相邻采空区覆岩沿倾向形 成较大的双拱形破坏，且破坏拱高度整体上升， 耦 合形成 1 个横跨两采空区的破坏拱，同时结合数值 模拟破坏拱高度、 现场实测覆岩破坏高度与 “两带” 高度经验公式结果相结合， 得出了矿井 4煤层相邻 工作面开采导致覆岩“两带”破坏高度取估算上限 值更为合理。 参考文献 ［1］ 柴敬， 汪志力， 刘文岗， 等．采场上覆关键层运移的模 拟实验检测 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （1） 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