宽沟煤矿覆岩活动及应力演化的数值模拟研究
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摘要：研究工作面覆岩活动及应力演化对于防治本工作面的冲击灾害有着重要的意义。本文根据宽沟煤矿实际的地质条件和生产状况，对W1143工作面覆岩活动及应力演化进行了数值模拟研究。模拟结果表明：（1）W1143工作面回采受上分层影响显著；（2）当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升高，集中程度加大，冲击危险性增加；（3）由于工作面超前支承压力和上层煤残留煤体对下方煤体应力叠加，当W1143工作面距离上层煤采空区水平面的投影20m时，工作面前方应力集中程度达到最大；（4）工作面进入上分层采空区下方后，工作面的危险性开始降低。
关键词：覆岩；应力；数值模拟；冲击矿压
中图分类号：X752文献标识码： A
1 概况
宽沟煤矿是神华新疆公司控股的一个井工矿。井田位于新疆呼图壁县城西南70km，北距大丰镇50km，东距乌鲁木齐市95km。2010年10月8日9时，宽沟煤矿W1143工作面发生了一起冲击地压，煤层和底板岩石突出容积约247m3，造成了人员伤亡和设备损坏的严重后果。宽沟煤矿“10.8”冲击地压灾害是新疆采煤史上首例造成重大人员伤亡的冲击地压灾害。冲击地压灾害不但造成了人员伤亡及设备损坏，而且由于是首次发生，对冲击地压缺乏认识，还给工人心理造成恐慌。因此，需要研究宽沟煤矿工作面覆岩活动与矿压显现规律，可以为矿井工作面的冲击地压治理提供指导和参考。本项目的开展对于宽沟煤矿保证安全生产具有重要的现实意义。
2 覆岩活动及应力演化的数值模拟
2.1 建立模型
模拟方案选择在W1143工作面剖面Ⅰ和Ⅱ及走向剖面进行模拟，剖面Ⅰ位置W1143工作面受W1141采空区的影响，模拟在W1141采空区影响下W1143工作面覆岩的活动和围岩运动应力分布特征；剖面Ⅱ位置W1143推进到W114(2)3和W114(2)1采空区的位置，受多个采空区的影响下，模拟W1143工作面覆岩的活动和围岩运动应力分布特征，走向剖面模拟开采过程超前支承压力及覆岩运动规律。
图1 模拟方案剖面位置
图2 走向模拟剖面位置
根据Zk303钻孔资料及W1143工作面底板物理力学测试结果进行建立模型和参数赋值，见下表1。
表1主要模拟参数
2.2 W1143工作面受相邻采空区影响应力演化规律
图3所示为W1141工作面回采顶板岩层向上运动垮落，垮落高度达到38m，顶板中部岩层先失稳破断、工作面两侧顶板达到破坏条件后开始失稳破坏，采场中部岩层顶板破坏的高度大于两侧顶板的冒落高度，最终形成以工作面两侧煤体为支撑点平衡空间结构，形成侧向悬顶，造成工作面两侧煤体应力集中，W1141工作面回采后围岩应力分布如图5。
图4为W1143工作面回采后，受采动影响顶板岩层活动高度增加了，W1143工作面回采后覆岩的垮落高度为18～40m，顶板裂隙带的高度明显增加，顶板的岩层运动的范围扩大，岩层运动和影响的高度向上发展。受二次采动影响，产生应力叠加，造成W1143和W1141工作面之间的区段煤柱应力集中程度上升，如图6所示。
图3 W1141开挖后围岩位移情况
图4 W1143开挖后围岩位移情况
图5 W1141开挖后围岩应力分布情况
图6 W1143开挖后围岩应力分布情况
图7 W1141和W1143开挖后煤柱应力分布情况
如图7所示，煤柱应力分布区域显示煤柱在侧向支承压力作用下形成应力集中，一次采动影响煤柱形成较低水平的应力集中，受相邻面回采时的二次采动影响，煤柱将导致应力叠加，使应力集中程度成倍增加。
2.3 W1143工作面受相邻三个采空区影响应力演化规律
模拟开挖顺序为W114（2）1―W114（2）3―W1141―W1143。当开挖W114（2）1后（图8），其上方的覆岩垮落高度为18m；当开挖W114（2）3后（图9），其上方覆岩垮落高度为18～40m；当开挖W1141后（如图10）受W114（2）1和W114（2）3采空区的影响，W114（2）1和W1141的上覆岩层垮落带在高度方向上向上发展，B42煤层上方采空区相互影响，影响范围产生叠加；当开挖W1143后（图11），受三个采空区的影响，覆岩运动范围相互影响，影响范围叠，影响高度加大。
图8W114（2）1开挖后围岩位移情况
图9W114（2）3开挖后围岩位移情况
图10 W1141开挖后围岩位移情况
图11 W1143开挖后围岩位移情况
开挖W114（2）1后，围岩的应力分布如图12，其应力主要集中在W114（2）1两侧的煤体上；开挖W114（2）3后，围岩的应力分布如图13，W114（2）1、W114（2）3之间煤柱应力叠加，应力集中系数增大；开挖W1141后，围岩应力分布如图14，W114（2）1、W1141的上覆岩层充分运动,使得W1141煤体的应力和W1141、W1143区段煤柱的应力得到释放，应力集中系数降低；当开挖W1143后，围岩应力分布如图15，受W1143、W1141、W114（2）1和W114（2）3岩层影响，覆岩运动的范围加大，导致应力集中水平上升，应力很大程度上集中到W1141、W1143区段煤柱上。
图12 W114（2）1开挖后围岩应力分布
图13W114（2）3开挖后围岩应力分布
图14 W1141开挖后围岩应力分布
图15 W1143开挖后围岩应力分布
图16 W114(2)1、W114(2)3、W1141和W1143开挖后煤柱应力分布
如图16，由于工作面回采，采动应力叠加使区段煤柱应力集中，W1141工作面回采后，煤柱形成应力集中，而开采煤柱上方工作面后，释放煤柱的应力，因此，W1143和W1141煤柱在W1141工作面回采时受采动影响，发生一次应力集中，W1143工作面回采期间又受采动影响产生应力叠加，集中程度高。
2.4 W1143工作面推进过程应力演化规律
(1) 老顶的初次破断和垮落情况
如图17，第一老顶初次破断极限悬顶长度为50m。第一次老顶垮断时，造成煤体的应力集中系数为2，围岩应力集中主要在工作面前方40m范围内，覆岩的垮落高度为18～20m，围岩的作用力主要来源于该层的老顶运动。
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图17 第一老顶破断时
图18至图22分别为工作面推进距W114（2）3开切巷西帮50m、30m、0m、40m、80m时围岩位移和应力分布情况，工作面推进距离W114（2）3开切巷50m时，工作面超前支承压力影响不受上覆煤层开采遗留煤体的影响，当推进至距W114（2）3开切巷30m时W1143工作面超前支承压力为自身超前支承压力和上方煤体压力叠加作用形成，至距W114（2）3开切巷0m时，上下煤层应力叠加，进入W114（2）3开切巷后，煤体应力逐渐得到释放，应力集中程度开始降低。
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图18 距W114（2）3采空区50m
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图19 距W114（2）3采空区30m
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图20 距W114（2）3采空区0m
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图21进入W114（2）3采空区40m
（a）围岩位移情况
（b）围岩应力分布
图22 进入W114（2）3采空区80m
图23 推进过程应力变化曲线
综上所述，W1143工作面回采受上分层影响显著，上分层煤层未采部分相当于在W1143工作面上部留下一个大煤柱，W1143工作面向W114（2）3开切巷位置推进，应力变化如图23，当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升高，集中程度加大，冲击危险性增加。当W1143工作面距离上层煤采空区水平面的投影20m时，工作面前方应力集中程度达到最大，主要原因为工作面超前支承压力和上层煤残留煤体对下方煤体应力叠加。工作面的危险性开始降低是进入上分层采空区下方后，工作面中下部处于卸压区，冲击危险性降低。
3 结论
本文根据宽沟煤矿实际的地质条件和生产状况，对W1143工作面覆岩活动及应力演化进行了数值模拟研究。模拟结果表明：（1）W1143工作面回采受上分层影响显著；（2）当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升高，集中程度加大，冲击危险性增加；（3）由于工作面超前支承压力和上层煤残留煤体对下方煤体应力叠加，当W1143工作面距离上层煤采空区水平面的投影20m时，工作面前方应力集中程度达到最大；（4）工作面进入上分层采空区下方后，工作面的危险性开始降低。