孙浩然 苏明清 郝文浩 王 龙

（1.莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司；2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院）

煤层开采后，煤岩原始应力平衡状态遭到破坏，围岩应力重新分布，研究采动覆岩应力演化规律对预防冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山灾害有重要意义［1-3］。煤层开采过程中，随着工作面不断推进，采空区上部岩层发生破坏和变形，形成“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带［4-5］。确定“三带”的高度，为矿井瓦斯高效抽采提供依据，对矿井瓦斯和水害治理具有重要作用。

国内外学者对采场采动覆岩应力与裂隙场演化规律方面进行了大量研究。娄金福［6］结合数值模拟、理论分析等研究方法，揭示了采动覆岩主应力场的拱形动态演化特征。任有奎［7］对一侧采空工作面上覆岩层的应力变化进行数值模拟，分析出不同推进距离下采动覆岩应力分布和垂直位移演化规律。王文全［8］研究了千米深井不同采高下应力分布规律。杨舜等［9］研究了开采过程中不同倾角矿体采场覆岩的破坏失稳特征，模拟分析了开采过程中采场覆岩的内部应力变化规律。沈建波等［10］建立三维数值计算模型，研究了煤层倾角对采场顶板应力分布的影响规律。以上学者的研究大多是假设研究煤层为近水平煤层，而实际上大多数煤层都具有一定的倾角，较少有学者研究煤层倾角对采动覆岩应力与位移场演化规律的影响。也有部分学者研究了不同煤层倾角下顶板应力分布规律，但是没有进一步分析工作面位移场演化规律。

因此，本研究建立近水平煤层和缓倾斜煤层2种模型，采用FLAC3D模拟研究不同开采条件下覆岩应力与位移场演化规律，对比分析煤层倾角对覆岩运动的影响，可为揭示缓倾斜煤层开采上覆岩层活动规律提供参考。

1 模型建立

以西北某矿缓倾斜工作面为工程背景，建立了近水平和缓倾斜煤层2种FLAC3D数值模型，分别定义为模型一和模型二，如图1所示。定义模型一X轴方向为工作面的倾向，Y轴为推进方向，Z轴为岩层赋存方向，X、Y、Z轴方向分别取310，200，131 m。定义模型二X轴方向为工作面倾向，Y轴负向为推进方向，Z轴为岩层赋存方向，X、Y、Z轴方向分别取305、200、135 m，煤层倾角为8.4°。在模型一和模型二中，倾向和走向各留30和25 m保护煤柱，模型周围各边界均为水平位移约束，底部为固定位移约束，上部为自由边界。模型本构关系采用Mohr-Coulomb准则。取岩石平均容重为25 kN/m3，侧压系数取1.2，施加上覆岩层自重载荷为12.5 MPa，模型中各岩层力学参数见表1。

2 模拟结果对比分析

工作面回采期间，各岩层应力场和位移场均会发生改变。为全方位展示不同开采条件下该矿工作面回采期间覆岩应力场和位移场时空演化规律，对平行煤层上方覆岩做水平切面，对平行推进方向做竖直剖面，并在距煤层不同距离处布置监测线动态监测应力和位移。在煤层顶板布置了3条监测线，实时监测工作面每推进30 m时垂直应力和垂直位移变化。监测线布置在模型中部即X=155 m处；监测线共布置3层，距煤层顶板的距离分别为10，25和50 m；监测线长度为150 m，每层16个监测点，监测点间距为10 m。

2.1 不同开采条件下工作面覆岩应力时空演化规律

工作面回采期间，距煤层顶板不同距离覆岩应力见图2。

由图2所示，随着工作面的不断回采，工作面前方支承压力不断增加，覆岩破坏范围不断增大；距煤层距离越大，受开采扰动程度即覆岩应力和位移变化也会越小；垂直应力峰值始终保持在工作面前方10 m的位置。随着工作面的推进，应力降低区域不断在扩大，在工作面的前方、巷道两侧覆岩处和后方保护煤柱处形成应力集中区，应力集中区和集中程度随工作面推进而不断增大；采空区处覆岩应力较小，这是由于煤层采出，覆岩运移的结果。随着工作面的推进，工作面后方覆岩应力不断降低，应力降低区域不断扩大，应力降低显著区域约距采空区顶板15 m；近水平煤层开采时，当工作面分别推进距离为30 m（Y=55 m）、60 m（Y=85 m）、90 m（Y=115 m）和120 m（Y=145 m），距煤层顶板10 m处，垂直应力的峰值大小及位置分别为（17.49 MPa，65 m）、（22.19 MPa，95 m）、（29.31 MPa，125 m）和（32.89 MPa，155 m），缓倾斜煤层开采时，工作面分别推进距离为30 m（Y=55 m）、60 m（Y=85 m）、90 m（Y=115 m）和120 m（Y=145 m）时，距煤层顶板10 m处，顶板支承压力峰值大小及位置分别为（17.22 MPa，65 m）、（22.39 MPa，95 m）、（29.86 MPa，125 m）和（32.30 MPa，155 m），垂直应力峰值始终保持在工作面前方10 m的位置。近水平煤层开采覆岩应力呈对称分布，应力最大值为38 MPa，缓倾斜煤层开采覆岩应力呈非对称分布，应力最大值为40 MPa；缓倾斜煤层在工作面推进60 m时，工作面一侧的保护煤柱出现了应力集中区，而近水平煤层在工作面推进120 m时，工作面一侧的保护煤柱出现了较为明显的应力集中区；近水平煤层的应力降低区域的范围明显是大于缓倾斜煤层的应力降低区域的范围，近水平煤层采空区后方应力集中区的峰值小于缓倾斜煤层采空区后方应力集中区的峰值；随着工作面不断推进，缓倾斜煤层上覆岩层垂直应力的峰值大于近水平煤层上覆岩层垂直应力的峰值，在距煤层顶板25 m时最为明显；缓倾斜煤层开采时在走向距离Y=175 m处所受到的垂直应力低于近水平煤层开采时在走向距离Y=175 m处所受到的垂直应力。

2.2 不同开采条件下工作面覆岩运移时空演化规律

工作面回采期间，距煤层顶板不同距离覆岩位移如图3所示。

如图3所示，随着工作面的不断回采，工作面覆岩破坏范围不断增大；距煤层越远，受开采扰动程度即覆岩位移变化也会越小；工作面后方采空区覆岩逐渐压实，覆岩运移逐渐趋于稳定；当工作面推进120 m时，近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采垂直位移峰值都在走向距离为75 m左右处出现，当工作面推进90 m时，近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采垂直位移峰值都在走向距离为65 m左右处出现，工作面推进60 m时，近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采垂直位移峰值都在走向距离为45 m左右处出现，工作面推进30 m时，近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采垂直位移峰值都在走向距离为33 m左右处出现。

近水平煤层开采覆岩位移呈对称分布，缓倾斜煤层开采覆岩位移呈非对称分布，向工作面一侧聚集；缓倾斜煤层开采覆岩位移峰值大于近水平煤层开采覆岩位移峰值，随着工作面不断推进，对比越明显。

2.3 不同开采条件下工作面覆岩“三带”确定

当近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采工作面推进至Y=145 m时，Y=115 m处采空区覆岩垂直应力如图4所示。

如图4所示，当工作面推进至Y=145 m时，近水平煤层和缓倾斜煤层在工作面两侧形成应力集中区，在顶底板围岩附近形成应力降低区；近水平煤层顶底板围岩应力呈对称分布，缓倾斜煤层顶底板围岩应力呈非对称分布；缓倾斜煤层顶底板围岩应力峰值大于近水平煤层顶底板围岩应力峰值；缓倾斜煤层顶底板围岩应力应力降低区明显大于近水平煤层顶底板围岩应力应力降低区。

当近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采作面推进至Y=145 m时，Y=115，125，135和140 m处采空区上覆岩层垂直位移如图5所示。

如图5所示，当工作面推进至Y=145 m时，后方采空区距工作面的距离越远应力降低区越大，这是由于采空区覆岩不断破坏并逐渐趋向稳定导致的；近水平煤层采空区上覆岩层垂直位移呈对称分布，缓倾斜煤层采空区上覆岩层垂直位移呈非对称分布；缓倾斜煤层采空区上覆岩层垂直位移峰值大于近水平煤层采空区上覆岩层垂直位移峰值；如图4（a）和图5（a）所示，近水平煤层开采距采空区上方10 m左右，应力降低显著，此区间顶板下降幅度较大，表明此区间顶板破坏严重，为冒落带，如图4（b）和图5（b）所示，缓倾斜煤层开采距采空区上方10 m左右，应力降低显著，此区间顶板下降幅度较大，并且此区间并不随工作面推进而增大，表明此区间顶板破坏严重，即为冒落带。

当近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采作面推进至Y=145 m时，Y=115，125，135和140 m处采空区覆岩塑性区分布如图6所示。

由图6所示，近水平煤层和缓倾斜煤层随着距工作面越近，塑性区域范围不断减小；在距工作面相同距离处，缓倾斜煤层发育高度大于近水平煤层发育高度，缓倾斜煤层塑性区域范围明显大于近水平煤层塑性区域范围；近水平煤层开采覆岩破坏成对称分布，缓倾斜煤层开采覆岩破坏成非对称分布，即埋深浅处破坏较严重；近水平煤层开采，距采空区上方47 m左右为应力降低区，即为裂隙带区域；缓倾斜煤层开采，随着工作面的不断推进，冒落带以上覆岩破坏区不断向上发育（塑性区距顶板46～50 m），而当距工作面一定距离后，覆岩塑性区不再变化，此时塑性区范围距采空区上方50 m左右，即为裂隙带区域。

3 讨 论

在我国大多数煤层都具有一定的倾角，缓倾斜煤层比较接近煤层的真实赋存情况，但在实际研究过程中，许多学者假设研究煤层为近水平煤层，忽略了岩层倾角对覆岩运动的影响，所以建立近水平煤层和缓倾斜煤层的对比模型对研究煤层开采上覆岩层活动规律具有指导意义。

随着煤矿工作面的不断推进，煤层倾角对岩层移动与地表沉陷会造成一定的影响，缓倾斜煤层的岩层运动活跃程度高于近水平煤层的岩层运动活跃程度。通过数值模拟分析确定工作面覆岩“三带”的范围，分析煤层应力及塑性区分布特征，可以定位煤层瓦斯的富集区域，对研究采动覆岩“三带”发育规律及煤层瓦斯运移规律有重要作用；可以准确地判别矿井煤层上方瓦斯有效卸压抽采区域，选取合理的钻场布置方案、恰当的钻孔直径、长度及层位，对瓦斯抽采具有指导意义。根据垮落带和裂隙带的发育高度可以确定导水裂隙带的发育高度，随着煤层工作面的不断推进，水流会在导水裂隙带内充分流动，便于监测井下水流的流动情况，对预防矿井水害事故、确保煤矿工作面安全高效生产具有重要作用。

4 结论

（1）通过数值模拟分析，随着工作面的不断回采，工作面前方支承压力不断增加，覆岩破坏范围不断增大，垂直应力峰值始终保持在工作面前方10 m的位置，近水平煤层的应力降低区域的范围大于缓倾斜煤层的应力降低区域的范围，近水平煤层采空区后方应力集中区的峰值小于缓倾斜煤层采空区后方应力集中区的峰值，缓倾斜煤层上覆岩层垂直应力的峰值大于近水平煤层上覆岩层垂直应力的峰值。

（2）通过数值模拟分析，距煤层越远，受开采扰动程度即覆岩位移变化也会越小，缓倾斜煤层开采覆岩位移峰值大于近水平煤层开采覆岩位移峰值，并且随着工作面不断推进，对比越明显。

（3）通过数值模拟分析，近水平煤层和缓倾斜煤层开采距采空区上方10 m左右，应力降低显著，此区间顶板下降幅度较大，顶板破坏严重，为冒落带，近水平煤层开采距采空区上方47 m左右为裂隙带区域，缓倾斜煤层开采距采空区上方50 m左右为裂隙带区域。

（4）通过数值模拟分析，近水平煤层和缓倾斜煤层随着距工作面越近，塑性区域范围不断减小；在距工作面相同距离处，缓倾斜煤层发育高度大于近水平煤层发育高度，缓倾斜煤层塑性区域范围大于近水平煤层塑性区域范围。

（5）通过对比分析，近水平煤层开采和缓倾斜煤层开采在工作面覆岩应力、覆岩位移和覆岩“三带”分布都有明显的差异，不能忽略煤层倾角对采动覆岩应力的影响。