綜放開采頂煤采動應力場演化路徑

秦海初，邵 斌，程海星，霍昱名

（1.中煤華晉集團有限責任公司，山西 運城043300；2.中煤華晉集團有限責任公司 王家嶺煤礦，山西 運城043300；3.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安710054；4.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原030024）

綜放開采自20世紀80年代引入我國后，得到了較為充分的發展，已經成為了我國煤炭開采領域的重要標志性成果[1,2]。綜放開采是在綜合機械化采煤工藝的基礎上，歷經高位放頂煤、中位放頂煤、低位放頂煤工藝多次變革，成為我國目前最為普遍的綜采主導技術。它具有高產高效、安全、降耗等諸多優點。對于綜放開采技術的基礎理論研究，主要集中在支架圍巖關系[3-4]、頂煤破壞機理[5-6]、煤巖運移規律等方面[7-8]。頂煤的破壞由其所受的應力狀態決定[4-9]，因此，綜放開采工作面應力場演化規律是關鍵基礎問題之一[10-11]，國內外學者對其展開了大量的研究工作。陳忠輝[12]等通過損傷力學理論和實驗驗證相結合方法[13]，對綜放工作面前方支承壓力分布特性進行了研究；吳建[14]等成莊礦采場圍巖應力分布進行了研究，得出煤體和上覆巖層采動應力的增加是同步的；劉長友[15]等對孤島工作面支承壓力分布特征進行了分析，得出超前支承壓力存在2個峰值區域，頂煤支承壓力峰值大于底煤；劉金海[16]等對深井特厚煤層綜放工作面支承壓力進行了分析，將回采期間煤體垂直應力的變化沿走向進行了分區；趙鯤鵬[8]分析了綜放工作面不同傾角下采場圍巖的應力狀態，與現場實測結果相吻合；王德超[17]等分析了回采過程中超前支承壓力變化規律，認為工作面“見方”階段垂直應力最大；劉欽節[18]等在朱仙礦地應力實測的基礎上，對綜放工作面采動應力場演化規律進行了研究，得出了地應力與綜放采場采動應力場演化的關系；黃志增[19]等在實驗室模擬了頂煤真實應力環境，得出了巨厚煤層頂煤破壞形式及對不同層位頂煤的冒放性做出了評價；魏世明[20]等對支承壓力研究現狀進行了綜述，得出了有關支承壓力的研究的特點及存在的問題；王家臣[21]等對綜放開采頂煤裂隙擴展的應力驅動機制進行了研究，得出綜放開采過程中主應力大小及方向的演化規律。大部分學者將其簡化為最大主應力為垂直應力、中間主應力與最小主應力相等的情況，著重考慮了垂直應力演化特性而忽略了原巖應力狀態及中間主應力。為此，研究以王家嶺煤礦12309綜放工作面為工程背景，在原始地應力測試基礎上，針對工作面前方頂煤中主應力場演化規律展開。

1 工程背景

1.1 工作面概況

王家嶺煤礦位于山西省河津市，12309工作面位于其西翼，煤層平均6.1 m，為近水平煤層，結構簡單，賦存狀況穩定，平均埋深360 m，沿東西方向由西向東進行回采。工作面位置如圖1。

工作面直接頂為粉砂巖，平均厚度3.54 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度4.2 m。直接底為細粒砂巖與泥巖互層，平均厚度2.77 m，基本底為中粒砂巖，平均厚度24.29 m。采用綜采放頂煤工藝進行回采，采高3.1 m，放煤高度3.0 m，采用ZFY12000/23/34D型兩柱放頂煤液壓支架，額定工作阻力12 000 kN，初撐力9 420 kN。

圖1 工作面位置Fig.1 Location of panel 12309

1.2 地應力測試

運用空心包體類三維應力測量法對王家嶺煤礦原始應力進行現場測量，于12309鄰近工作面選取3個測站，分別測量其地應力大小及方向。首先在測站自巷幫用鉆機鉆進應力解除孔（直徑130 mm），至不受除鉆孔以外的其他工程影響的位置（1.25倍巷道寬度b）；磨平大孔孔底后，再同心鉆進小直徑孔（直徑36 mm）穿過待測點；在小測量孔內安裝環氧樹脂三軸應變計，24 h后，待環氧樹脂完全固化，用直徑130 mm的取心鉆頭對含有應變計的巖心進行應力解除，解除過程引起的巖石變形可由應變計中不同方向的應變片通過數據采集器檢測和記錄，地應力測試過程如圖2。

圖2 地應力測試過程Fig.2 Testing process of ground stress

由現場地應力測試結果可知，礦區水平應力大于垂直應力，最大水平應力σx為南北方向，平均側壓系數為λx=1.52，最小水平應力σy為東西方向，平均側壓系數為λx=0.45，地應力測試結果見表1。

表1 地應力測試結果Table 1 Measurement results of ground stress

2 數值模擬

2.1 數值模型及參數

2.1.1 數值模型及測線

按照圖2中各巖層厚度建立數值模型，以正南北向為x軸，正東西向為y軸，垂直方向為z軸，全部由六面體單元組成。因旨在研究工作面中部推進方向主應力演化規律，固不考慮工作面長度對頂煤體中主應力空間演化規律的影響，因此模型尺寸為長×寬×高=200 m×200 m×80 m，工作面模擬尺寸為走向150 m、傾向100 m，數值模型及測線位置如圖3。

圖3 數值模型及測線位置Fig.3 Numerical model and line layout

根據λx=1.52、λy=0.45，設置模型側壓系數，進行初始應力反演，再對工作面一次開挖，計算至平衡（以模型最大不平衡力比率小于10-5為平衡條件），導出工作面中部測線位置的3個主應力大小及方向。測線位于工作面中部頂煤內，測線起始坐標為（100，100，21.5），終止坐標為（100，200，12.5），測線中每隔1 m選取1個測點，共設置測點100個，待模型開挖平衡后，通過FISH語言中內置“z_pstress”函數，提取每個測點的3個主應力大小、方向，測線位置如圖3（b）。

2.1.2 邊界條件及本構模型

1）應力邊界。數值模型總高80 m，煤層底板在數值模型中位于27.06 m處，即數值模型中煤層埋深為52.94 m，由于實際煤層平均埋深為360 m，因此需要在模型上邊界施加相當于307.06 m厚度的巖層重力，按照巖層平均密度為2.2 t/m3計算，得模型上邊界應施加應力σz=6.76 MPa。

2）位移邊界。對數值模型前、后、左、右4個邊界面施加法向位移約束，對模型底面施加全位移約束。

2.1.3 本構模型及參數

數值模型均為煤、巖石等材料，因此選用FLAC3D內置Mohr-Coulomb本構模型進行模擬，數值計算中各巖層物理力學參數匯總見表2。

表2 巖層物理力學參數Table 2 Lithologic parameters in numerical model

3 結果分析

3.1 主應力大小演化規律

工作面開挖后，由于開采擾動，頂煤體內應力場重新分布，但采動影響并不會波及到整個測線。測線30 m范圍內的3個主應力值大小分布曲線如圖4。

圖4 主應力大小分布曲線Fig.4 Principle stresses distribution

圖4中（0，0）點位置處3個主應力大小均為0；0～4 m范圍為模擬工作面液壓支架控頂區，該區域3個主應力大小基本呈線性逐漸升高，最大主應力σ1從0升高到3.20 MPa，中間主應力σ2從0升高到2.05 MPa，最小主應力σ3從0升高到0.69 MPa；最大主應力σ1、中間主應力σ2在11 m左右達到峰值，而最小主應力σ3則在13 m左右達到峰值，其中最大主應力σ1峰值為25.09 MPa，應力集中系數為1.90，中間主應力σ2峰值為18.17 MPa，應力集中系數為2.13，最小主應力σ3峰值為8.13 MPa，應力集中系數為1.87。

中間主應力集中系數最大，最大主應力與最小主應力集中系數相近；在16 m左右，最大主應力與中間主應力大小相等，即σ1=σ2，該現象的產生是由于王家嶺煤礦原巖應力場最大水平應力大于垂直應力，受到超前采動應力的影響，垂直應力不斷升高，逐漸大于了水平應力，在這個過程中最大主應力向垂直方向旋轉，中間主應力向水平方向旋轉。

3.2 主應力方向演化規律

3.2.1 最大主應力方向演化規律

綜放開采過程中，最大主應力與3個坐標平面的夾角演化曲線如圖5（截取測線前60 m區間）。

圖5 最大主應力與各坐標平面夾角Fig.5 Angels between maximum principle stress and planes

在原巖應力狀態下，最大主應力與y-z平面夾角為90°，與x-z、x-y 2個平面的夾角均為0°，與實際情況相符。最大主應力與x-z、x-y、y-z 3個平面的夾角變化開始于17 m左右，因此將曲線0～17 m范圍定義為最大主應力偏轉區，進一步地，以煤壁為分界線，將偏轉區劃分為壁前偏轉區和壁后偏轉區。

對于x-y平面，最大主應力偏轉始于17 m位置處，17～15 m范圍，最大主應力與x-y平面夾角從1.75°迅速偏轉至82.10°；15 m至最大主應力峰值位置（11 m）區間內，最大主應力方向與x-y平面夾角基本保持不變；11 m（最大主應力峰值位置）到4 m（煤壁位置）區間內，最大主應力方向與x-y平面夾角先減小后增大，在5 m位置降低到50.27°，5～4 m區間內，最大主應力方向與x-y平面夾角增加10°，達到60.04°；4～0 m區間為壁后旋轉區，最大主應力方向與x-y平面夾角先增大至86.01°然后保持基本穩定。

對于x-z平面，最大主應力偏轉也開始于17 m位置處，在17～16 m范圍內，最大主應力與x-z平面夾角從0.27°偏轉至7.62°；16 m至最大主應力峰值位置（11 m）區間內，最大主應力方向與x-z平面夾角基本保持不變；在11 m（最大主應力峰值位置）到4 m（煤壁位置）區間內，最大主應力方向與x-z平面夾角先增大后減小，在5 m位置增大到39.37°，5～4 m區間內，最大主應力方向與x-z平面夾角減小10°，至29.63°左右；4～0 m區間為壁后旋轉區，最大主應力方向與x-z平面夾角先減小至3.99°，然后保持基本穩定。

對于y-z平面，最大主應力方向偏轉從距離17 m左右處開始，在15 m左右，最大主應力方向與yz平面夾角為1.51°，近似0°，即在17～15 m內的2 m左右區間內，最大主應力與y-z平面旋轉了約90°；從15 m處至0 m位置，最大主應力方向與y-z平面夾角保持0°左右，基本穩定。

3.2.2 中間主應力方向演化規律

綜放開采過程中，中間主應力與3個坐標平面的夾角演化曲線如圖6（截取測線前60 m區間）。

在原巖應力狀態下，中間主應力與x-y平面夾角為90°，與x-z、y-z 2個平面的夾角均為0°，與實際情況相符。中間主應力與x-z、x-y、y-z 3個平面的夾角變化開始于53 m左右（以角度變化大于5°為旋轉分界線），因此將曲線0～53 m范圍定義為中間主應力偏轉區，進一步地，以煤壁為分界線，將偏轉區劃分為壁前偏轉區和壁后偏轉區。

圖6 中間主應力與各坐標平面夾角Fig.6 Angels between intermediate principle stress and planes

對于x-y平面，中間主應力偏轉開始于53 m位置處，在53～17 m（σ1=σ2）區間中，中間主應力與x-y平面夾角緩慢減小，從原始90°減小到80.17°；中間主應力與x-y平面夾角從17 m處開始劇烈變化，至15 m處時，中間主應力與x-y平面夾角由17 m處的80.17°降低至1.50°，接近0°；15～0 m區間內，中間主應力與x-y平面夾角保持0°基本穩定。

對于x-z平面，中間主應力偏轉開始于53 m位置處，在53～17 m（σ1=σ2）區間中，中間主應力與x-z平面夾角緩慢增大，從原始0°增大到8.65°；中間主應力與x-z平面夾角從17 m處開始減小，至15 m處時，中間主應力與x-z平面夾角由17 m處的8.65°降低至0.20°；15～0 m區間內，中間主應力與x-z平面夾角保持0°基本穩定。

對于y-z平面，中間主應力方向偏轉從距離17 m左右處開始，偏轉過程劇烈，在15 m左右，最大主應力方向與y-z平面夾角為近似88.49°，即在17～15 m內的2 m左右區間內，中間主應力與y-z平面旋轉了近90°；從15 m處至0 m位置，最大主應力方向與y-z平面夾角保持0°左右，基本穩定。

3.2.3 最小主應力方向演化規律

綜放開采過程中，最小主應力與3個坐標平面的夾角演化曲線如圖7（截取測線前60 m區間）。

在原巖應力狀態下，最小主應力與x-z平面夾角為90°，與x-y、y-z 2個平面的夾角均為0°，與實際情況相符。最小主應力與x-z、x-y、y-z 3個平面的夾角變化開始于53 m左右（以角度變化大于5°為旋轉分界線），因此將曲線0～53 m范圍定義為最小主應力偏轉區，進一步地，以煤壁為分界線，將偏轉區劃分為壁前偏轉區和壁后偏轉區。

圖7 最小主應力與各坐標平面夾角演化規律Fig.7 Angels between minimum principle stress and planes

對于x-y平面，最小主應力偏轉開始于53 m位置處，在53～11 m（最大主應力峰值位置）區間中，最小主應力與x-y平面夾角緩慢增大又緩慢減小，該區間內，最小主應力方向與x-y平面夾角變化浮動較?。ㄎ闯^10°）；最小主應力與x-y平面夾角從11 m處開始，發生較顯著變化，在11～4 m區間（煤壁位置）內，最小主應力與x-y平面夾角先增大后減小，先由11 m處的7.31°增加至5 m處的39.73°，在減小到4 m處的29.96°；壁后旋轉區間內，最小主應力與x-y平面夾角由4 m處的29.96°減小至3 m處的3.99°，后保持相對穩定。

對于x-y平面，最小主應力偏轉開始于53 m位置處，在53～11 m（最大主應力峰值位置）區間中，最小主應力與x-y平面夾角緩慢減小又緩慢增大，該區間內，最小主應力方向與x-y平面夾角變化浮動較?。ㄎ闯^10°）；最小主應力與x-y平面夾角從11 m處開始，發生較顯著變化，在11～4 m區間（煤壁位置）內，最小主應力與x-y平面夾角先減小后增大，先由11 m處的82.69°減小至5 m處的50.27°，在增大到4 m處的60.04°；壁后旋轉區間內，最小主應力與x-y平面夾角由4 m處的60.04°增大至3 m處的86.01°，后保持相對穩定。

對于y-z平面，最小主應力方向與y-z平面夾角在整個綜放過程中均為0°，保持穩定。

3.3 主應力分區及演化路徑

將主應力場分布曲線進行分區，將主應力場由遠及近地分為4個區域：原巖應力區、應力升高區、應力峰后降低區、支架控頂區。

在上述各區域內取特征點，提取其應力大小作為應力路徑，其中，原巖應力區特征點1個、應力升高區特征點3個、應力峰后降低區3個、支架控頂區2個，各分區特征點位置如圖8。

圖8 各分區特征點位置Fig.8 Location of characteristic points

4結論

1）王家嶺礦原始地應力場中，最大水平應力>垂直應力>最小水平應力，其中，最大水平應力方向為南北向，平均側壓系數為1.52，最小水平應力方向為東西向，平均側壓系數為0.45。

2）頂煤各主應力在煤壁前方一定距離均存在應力集中現象，其中，最大主應力、中間主應力峰值均出現在測線11 m位置處，應力集中系數為1.90、2.13，最小主應力應力峰值出現在測線13 m位置處，應力集中系數為1.87。

3）最大主應力方向旋轉的特征點位置有3個，分別出現在位置、最大主應力峰值位置、煤壁位置，中間主應力方向旋轉的特征點位置有1個，出現在位置；最小主應力方向旋轉的特征點位置有2個，依次出現在最大主應力峰值位置、煤壁位置。

4）根據主應力場演化特征，將頂煤分為原巖應力區、應力升高區、應力峰后降低區及支架控頂區，并在4個區域內共選取了9個特征點，組成了頂煤主應力演化路徑，為后續頂煤破壞規律的研究提供應力基礎。