千秋矿综放面巨厚悬空砾岩层采动应力分布特征数值模拟研究＊

房 萧 巨 峰 何 琪 付家亭

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

千秋矿综放面巨厚悬空砾岩层采动应力分布特征数值模拟研究＊

房 萧1，2巨 峰1，2何 琪1，2付家亭1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

利用离散元软件UDEC4.0对千秋矿21141综放工作面在巨厚悬空砾岩层下的采动应力分布进行模拟研究。结果表明，随推采面积的加大，砾岩在不断弯曲变形，挠度增大，砾岩体对工作面前方煤体及切眼后方煤体的作用力逐渐增大，并随煤体的开采而重新分布，因此工作面煤体内部支承应力将随着煤体塑性范围的扩大向深部转移，并重新积聚产生新的冲击危险。

综放工作面 巨厚悬空砾岩 采动应力 应力分布 数值模拟

煤层顶板岩层特性是冲击矿压发生的重要影响因素。研究表明：上覆岩层的悬顶长度越大越容易发生冲击，且随着悬顶长度的增加，冲击危险性迅速增高；坚硬、厚而完整的顶板突然断裂，易诱发顶板型冲击矿压，且基本顶厚度越大，完整性越好，发生的冲击强度也越大。但是，目前国内外对于巨厚悬空砾岩层采动应力分布研究并不明确，故有必要分别对巨厚悬空砾岩层在两次采动影响下应力分布规律进行研究。

由于岩土材料结构的不连续性，离散元数值模拟软件UDEC4.0已广泛应用于工程岩体模拟研究。煤矿开采将使采场顶板岩体系统产生复杂的节理裂隙和变形块体，并在顶板岩层变形、断裂和下沉过程中产生应力扰动和释放震动能量，本文以义马煤业公司千秋煤矿21141综采放顶煤工作面为例，采用UDEC数值模拟软件对巨厚悬空砾岩影响下采场应力分布规律用离散单元法进行模拟研究。

1 工作面概况

21141综采放顶煤工作面位于矿井西部二水平21采区下山西翼，北邻21121采空区，南邻未开采的21161工作面，西邻千秋矿、耿村矿边界煤柱，东邻21采区下山煤柱。地面标高590.1～617.5m，工作面标高为－38.1～－84.7m，平均采深665.2m。对应地表位置为丘陵山地，地形复杂，冲沟发育，地表无村庄、无水体。工作面可采走向长度1298m，倾斜长度130m，倾角10～14°。该工作面回采二煤，平均煤厚约20m。煤层为黑色块状及粉末状，具沥青光泽，干燥、疏松破碎，极易自燃。煤层结构复杂，含2～4层夹矸，含矸岩性分别为细砂岩、粉砂岩、泥岩，局部煤体紊乱。一层夹矸为含砾细砂岩，砾石为细粒状石英岩屑，平均厚度0.5m，基本稳定，特征明显。二层夹矸为泥岩，较稳定。煤岩类型为半亮型—半暗型。

直接顶为深灰色泥岩，夹菱铁质薄层，致密均一、断口平坦，具隐蔽水平层理发育，厚度23.02～27.63m，分布较稳定，老顶为中侏罗系杂色砾岩，厚度较大，平均407m。底板自上而下为煤矸互层、碳质泥岩、含砾泥岩、细砂岩、粉砂岩砾岩，分布不稳定。

2 数值模型的建立

2.1 模拟参数确定

研究上覆巨厚砾岩层对采场回采时的影响，模型不可简化，模型上边界为地表，模型的左右边界不小于一个完整工作面的开采及影响范围。建立走向模型范围为2000m×700m。图1为21141工作面模型图。

图1 千秋矿21141工作面模型图

围岩物理力学性质参照该矿工作面实际岩体力学特性。节理特性考虑采动影响，围岩本构关系采用莫尔－库仑（Mohr－Coulomb）模型。

2.2 开挖过程的合理模拟

本数值模拟分析中的岩石工程是多次开挖完成的，由于岩石受力后，其内部的应力具有传递性，因此，前面的每次开挖都对后面的开挖产生影响，施工顺序不同，开挖步骤不同，都有各自不同的最终力学效应，也有不同的岩石工程稳定性状态。本次模拟的步骤为：

（1）建立走向模型，并进行模型的原岩应力平衡计算；

（2）走向模型进行分步开挖，模型应力平衡计算，进行数据的提取与后处理；

（3）根据千秋矿21采区实际开采顺序进行开挖，先开挖21101和21121工作面，再开挖21181和21201工作面，最后开挖21141工作面。

2.3 测线与测点布置

在进行初步的试运算后，根据运算情况在21141工作面的顶板中设置监测线，以研究工作面回采过程中的应力和位移变化规律。另外在巨厚砾岩层底部也布置监测线来研究砾岩层的变形规律。

工作面开掘引起覆岩破断与运动，数值分析过程的时间设置虽不能与实际开采影响的时间过程相对应，但数值分析中不同时间段的应力结果反映了实际开采过程中岩层应力的演化过程。

3 模拟结果和分析

3.1 巨厚悬空砾岩层一次采动应力分布特征

根据千秋煤矿21采区实际情况，首先对21101、21121工作面进行开挖。所以21141工作面在开采之前就深受巨厚砾岩的影响。将21101和21121工作面采后对21141工作面的影响称为一次采动影响，将21181和21201工作面采后对21141工作面影响称为二次采动影响。一次采动后，21141工作面覆岩运动变形影如图2所示。

21101和21121工作面采完后应力分布如图3所示。从左侧煤壁到采空区，21101和21121工作面顶板中应力分布情况可划分为4个区域：原岩应力区、支承应力影响区、应力降低区和应力恢复区。一次采动后巨厚砾岩层尽管由于其整体结构悬而不垮，但随着下位岩层的垮落变形，巨厚砾岩层逐渐分层形成了塑性区。

3.2 巨厚悬空砾岩层二次采动应力分布特征

对21181和21201工作面进行开挖，其对21141工作面覆岩运动变形影响如图4所示。

图4 二次采动后21141工作面覆岩运动变形情况

巨厚砾岩层的悬而不垮使得已采工作面采空区覆岩不能充分压实形成承载结构，只有采空区中部区域的覆岩触矸稳定，工作面上下端头区域均不承载。岩层承载结构因此发生了根本性的变化：二煤覆岩的自重不再是均载分布，而是由采区上端实体煤、采区下端实体煤和未开采的21141工作面承载。21141工作面二次采动后应力分布如图5所示。

图5 二次采动后监测线应力分布规律

3.3 不同开采阶段应力分布特征的比较

当一次采动后，采动应力达到24MPa，当二次采动后，随着砾岩的进一步弯曲，其下部受拉，应力达到了34.98MPa，相比原岩应力有较大的变化，岩层内部由于弯曲产生的弹性能容易诱发冲击矿压。如图6所示。

图6 不同开采阶段模型监测线应力变化曲线

当煤层在巨厚悬空砾岩层下采动时，煤层覆岩塑性区的分布规律（见图7）可知，以目前21采区工作面的开采顺序开采，21141工作面采空区上方的巨厚砾岩层产生了明显的分层塑性变形，而两侧巨厚砾岩则发生整体性断裂，形成相互挤压的块体结构，这对21161工作面的开采是极为不利的。

图7 21141工作面采后覆岩塑性区分布

工作面采后，覆岩逐层垮落变形，自下而上形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。煤层顶板中应力的分布直接受巨厚砾岩层的影响，煤层中最大支承应力与巨厚砾岩层中最大支承应力位于同一水平投影位置，如图8所示。

图8 21141工作面采后不同位置监测线垂直应力分布图

综上所述，21181和21201工作面采后巨厚砾岩层在采区上部出现了线状的拉破断区，使得巨厚砾岩层整体破断。这种巨大的岩块具有整体下滑、旋转等失稳趋势。而21101和21121采空区上方的砾岩层由于下位岩层的切顶作用，塑性区的分布呈现阶段性的向上发展，具有分层而不是整体性的特点。巨厚砾岩层的这种局部塑性变形扩容、整体破断垮落失稳的特点使得未开采的21141工作面的支承应力达到36.59MPa，为工作面原岩应力的2.01倍。

4 结论

上覆巨厚砾岩层的自重应力及下位岩层的冲击载荷是21141工作面发生冲击地压的主要力源。

（1）随工作面开采面积加大，砾岩不断弯曲变形，挠度增大，砾岩体对工作面前方煤体及切眼后方煤体的作用力逐渐增大，因此工作面煤体内部支承应力将随着煤体塑性范围的扩大向深部转移，并重新积聚产生新的冲击危险。

（2）工作面直接顶初次垮落步距为40m左右，工作面推进60m后，老顶初次来压。随着工作面的推进，工作面周期来压步距为50m左右。当工作面推进300m后，巨厚砾岩悬空距离达到最大，为14.06m。继续向前推进10m后，巨厚砾岩底部开始分层垮落，说明310m是巨厚砾岩的极限悬空步距。此后，巨厚砾岩不再悬空开始触底稳定并压实下位岩层，采空区应力快速增大至原岩应力的1.6倍。

（3）由于巨厚砾岩层整体性好，分层厚度大，利于传递上覆岩层对下位煤层的冲击载荷，对砾岩层形成的集中应力传播速度较快，从而为冲击地压的产生提供了必要的条件。当支承应力传递到采场并向采场周围空间释放时，就会发生冲击矿压事故。

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Numerical simulation about the stress distribution characteristics of the caving face under the thick impending mining conglomerate layer

Fang Xiao1，2，Ju Feng1，2，He Qi1，2，Fu Jiating1，2
（1.School of Mines，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources ＆Mine Safety，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The stress distribution characteristics of the 21141caving facing in Qianqiu coal mine under the thick impending mining conglomerate layer by discrete element software UDEC4.0have been studied.Result shows that as the increasing of the mining area，the conglomerate constant bending and deflection，the force of cutting the coal ahead and behind of the caving face are increasing and are redistributed.So the internal bearing stress of coal mining face will expand to deep layer as the plastic deformation of coal increasing，which formed new impact dangerous.

the caving face，the thick impending conglomerate，mining stress，stress distribution，numerical simulation

TD323

A

国家自然科学基金面上项目（51074165）；国家自然科学基金重点项目（50834004）

房萧（1987－），男，辽宁凌源人，在读硕士研究生，从事采动岩体控制及固体物充填开采等方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）