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摘 要：岩层运动是支承压力形成、动力灾害发生、巷道围岩破坏、矿井突水、构造活化等一切动力现象的根源。因此，研究工作面围岩运动对动力灾害防治、巷道围岩控制、采场支架选型等具有十分重要的意义。文章以平煤八矿地质条件为基础，采用数值模拟方法对平煤八矿14120采动工作面岩层运动规律进行了研究，以期为工作面采场控制及煤与瓦斯突出动力灾害防治提供依据。
关键词：岩层运动；采动工作面；数值模拟；运动规律
中图分类号：TD712.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）33-0179-02
随着煤炭资源的采出，采空区周围原岩应力平衡状态遭到破坏，导致应力重新分布，从而引起工作面岩层依次变形、破坏和移动。近年来，许多学者试图建立起采场岩层的整体力学模型，力求对岩层移动及其对采场的影响规律均能作出满意的解释，即将两者的控制统一起来。然而，采场岩层的运动和破坏过程是一个极其复杂的力学过程，因而对其认识也是一个逐渐深化的过程。
因此，笔者以平煤八矿地质条件为基础，采用理论分析、数值模拟方法对平煤八矿14120采动工作面岩层运动规律进行了研究，以期为八矿14120工作面采场控制及煤与瓦斯突出动力灾害防治提供依据。
1 工作面概况
平煤八矿己15-14120采面位于己二上山采区西翼，东起采区上山，西至十二矿北风井己组保护煤柱线，南邻己15-14100采面，北部尚未开发。该采面标高-450～-510 m，地面标高+120～+150 m，埋深610～710 m。
根据己15-14100采面揭露的情况分析，己15-14120采面煤厚在3.4～3.85 m左右，平均3.6 m，在构造区域有变薄情况。煤层倾角一般在17～28 ？觷之间，平均22 ？觷，呈西缓东陡之趋势。
直接顶为砂质泥岩，厚约3.0 m，距煤层顶板0.8 m左右有一层0.1～0.5 m的煤线，该层易随采随落。直接底为一薄层泥岩，厚约2.8～6.0 m，遇水易膨胀。
2 八矿14120工作面的覆岩空间结构
14120工作面在初次来压前，采场覆岩空间结构是由一个“中间无支撑”的工作面采空形成的“O”型覆岩空间结构，这类工作面四周为煤体或宽煤柱支撑，老顶上覆岩层形成的空间结构平面投影似“O”型，该种空间结构发育高度为采空区短边跨度所控制，采空区“见方”时易来大压，如图1（a）、（b）、（c）所示。
随着工作面的推进，工作面进入正常开采周期来压阶段，上覆岩层结构一侧在采空区触矸，另一侧为顶板岩层的断裂端伏在工作面煤壁上方，两侧煤柱稳定型采场覆岩在剖面上呈拱形破裂、在平面上其投影近似呈“D”型。在工作面正常推进过程中，工作面来压周期性显现，“D”型空间结构采场两侧实体煤破坏范围和支承压力分布规律基本相同。
3 工作面岩层运动规律的数值模拟研究
3.1 模型的建立
3.1.1 实际模型
鉴于工作面工程地质条件和开采技术条件，分别建立工作面向前推进4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、160 m、180 m和200 m的计算模型进行模拟计算。在工作面开采过程中，为体现工作面前方超前支承压力变化的动态变形演化过程，采用分步开挖，并在工作面每推进一段距离进行一次计算，每开挖一次保存一次。
3.1.2 数值计算模型
以14120工作面为原型，建立数值计算模型，如图2所示。
图中q为模型上部岩层产生的均布载荷（q=？酌0H0，？酌0，为上部岩层的平均容重，H0为上部岩层的厚度）。模型两侧为滑动支承，底部为固定支承。计算采用平面应变模型，选用Mohr-Coulomb准则，该屈服准则可表述为：
3.1.3 有关参数确定
数值模拟相关参数主要有模型尺寸、岩体力学参数、回采参数及巷道尺寸等。
根据关键层理论，将关键层以上岩层简化为均布载荷施加在数值计算模型上边界，主关键层以下岩层全部构建。考虑到边界影响及上述要求，本模型范围取520 m×360 m×140 m。
3.2 模拟结果分析
一般情况下，采场因煤层的开挖、直接顶冒落，老顶岩层会发生离层、断裂、沉降。采煤工作面自开切眼进行回采后，破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力场的再分布。开始时老顶处于完整状态，在老顶岩层尚未破断前，老顶将被四周未采动的煤体所支撑，它与采空区四周支撑体形成一个完整的结构体系，承受上覆岩层的载荷。工作面进入正常推进阶段后，老顶岩层在煤壁前方周期性的断裂，煤层在垂直方向承受的支承压力呈现周期性的变化；同时，煤层在水平方向的应力由于泊松效应也呈现周期性的变化。采空区在工作面推进过程中，其围岩应力重新分布，按垂直应力变化的大小可分为应力增压区、应力减压区和应力稳压区，老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布。
3.2.1 工作面回采过程中上覆岩层运动规律
采用数值模拟方法，模拟了工作面推采过程中不同阶段岩层运动规律和应力分布特征，如图3所示。
工作面推进4 m时，直接顶产生拉伸变形形成裂隙；工作面推进4～8 m时，直接顶冒落；工作面推进12～32 m时，坚硬老顶产生塑性破坏，形成裂隙；工作面推进32～40 m时，12 m厚砂岩老顶发生断裂，形成初次来压；工作面推进40～60 m时，老顶破裂继续向上发展，并逐步发生周期来压。工作面的老顶初次来压步距为32～40 m之间，周期来压步距12～20 m。
3.2.2 工作面回采过程中的应力场变化规律
分别模拟了工作面开采过程中工作面围岩应力场分布规律，如图4所示。
图4揭示了不同开采阶段超前支承压力影响范围的变化情况，超前支承压力随开采成周期性变化，与周期来压吻合，是老顶周期性断裂引起的。支承压力峰值与工作面距离也随工作面推采而成周期性变化，但变化范围较小，一般为8～10 m，平均为9 m。
4 主要结论
①随着工作面的推进，工作面采空形成的“O”型覆岩空间结构逐渐变为近似呈“D”型，工作面来压周期性显现，“D”型空间结构采场两侧实体煤破坏范围和支承压力分布规律基本相同。
②由数值模拟结果可知，工作面的老顶初次来压步距为32～40 m之间，周期来压步距12～20 m。工作面回采过程，工作面超前支承压力最大影响范围为60 m，支承压力峰值位置为8～10 m，平均值为9 m。不同开采阶段超前支承压力影响范围的变化情况，超前支承压力随开采成周期性变化，与周期来压吻合，是老顶周期性断裂引起的。支承压力峰值与工作面距离也随工作面推采而成周期性变化，但变化范围较小，一般为8～10 m，平均为9 m。
参考文献：
[1] 钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报，1995，（2）.
[2] 王泳嘉，麻凤海.岩层移动的复合介质模型及其工程验证[J].东北大学学报，1997，（3）.
[3] 赵经彻，何满潮.建筑物下煤炭资源可持续开采战略[M].徐州：中国矿业大学出版社，1997.
关键词：岩层运动；采动工作面；数值模拟；运动规律
中图分类号：TD712.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）33-0179-02
随着煤炭资源的采出，采空区周围原岩应力平衡状态遭到破坏，导致应力重新分布，从而引起工作面岩层依次变形、破坏和移动。近年来，许多学者试图建立起采场岩层的整体力学模型，力求对岩层移动及其对采场的影响规律均能作出满意的解释，即将两者的控制统一起来。然而，采场岩层的运动和破坏过程是一个极其复杂的力学过程，因而对其认识也是一个逐渐深化的过程。
因此，笔者以平煤八矿地质条件为基础，采用理论分析、数值模拟方法对平煤八矿14120采动工作面岩层运动规律进行了研究，以期为八矿14120工作面采场控制及煤与瓦斯突出动力灾害防治提供依据。
1 工作面概况
平煤八矿己15-14120采面位于己二上山采区西翼，东起采区上山，西至十二矿北风井己组保护煤柱线，南邻己15-14100采面，北部尚未开发。该采面标高-450～-510 m，地面标高+120～+150 m，埋深610～710 m。
根据己15-14100采面揭露的情况分析，己15-14120采面煤厚在3.4～3.85 m左右，平均3.6 m，在构造区域有变薄情况。煤层倾角一般在17～28 ？觷之间，平均22 ？觷，呈西缓东陡之趋势。
直接顶为砂质泥岩，厚约3.0 m，距煤层顶板0.8 m左右有一层0.1～0.5 m的煤线，该层易随采随落。直接底为一薄层泥岩，厚约2.8～6.0 m，遇水易膨胀。
2 八矿14120工作面的覆岩空间结构
14120工作面在初次来压前，采场覆岩空间结构是由一个“中间无支撑”的工作面采空形成的“O”型覆岩空间结构，这类工作面四周为煤体或宽煤柱支撑，老顶上覆岩层形成的空间结构平面投影似“O”型，该种空间结构发育高度为采空区短边跨度所控制，采空区“见方”时易来大压，如图1（a）、（b）、（c）所示。
随着工作面的推进，工作面进入正常开采周期来压阶段，上覆岩层结构一侧在采空区触矸，另一侧为顶板岩层的断裂端伏在工作面煤壁上方，两侧煤柱稳定型采场覆岩在剖面上呈拱形破裂、在平面上其投影近似呈“D”型。在工作面正常推进过程中，工作面来压周期性显现，“D”型空间结构采场两侧实体煤破坏范围和支承压力分布规律基本相同。
3 工作面岩层运动规律的数值模拟研究
3.1 模型的建立
3.1.1 实际模型
鉴于工作面工程地质条件和开采技术条件，分别建立工作面向前推进4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、160 m、180 m和200 m的计算模型进行模拟计算。在工作面开采过程中，为体现工作面前方超前支承压力变化的动态变形演化过程，采用分步开挖，并在工作面每推进一段距离进行一次计算，每开挖一次保存一次。
3.1.2 数值计算模型
以14120工作面为原型，建立数值计算模型，如图2所示。
图中q为模型上部岩层产生的均布载荷（q=？酌0H0，？酌0，为上部岩层的平均容重，H0为上部岩层的厚度）。模型两侧为滑动支承，底部为固定支承。计算采用平面应变模型，选用Mohr-Coulomb准则，该屈服准则可表述为：
3.1.3 有关参数确定
数值模拟相关参数主要有模型尺寸、岩体力学参数、回采参数及巷道尺寸等。
根据关键层理论，将关键层以上岩层简化为均布载荷施加在数值计算模型上边界，主关键层以下岩层全部构建。考虑到边界影响及上述要求，本模型范围取520 m×360 m×140 m。
3.2 模拟结果分析
一般情况下，采场因煤层的开挖、直接顶冒落，老顶岩层会发生离层、断裂、沉降。采煤工作面自开切眼进行回采后，破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力场的再分布。开始时老顶处于完整状态，在老顶岩层尚未破断前，老顶将被四周未采动的煤体所支撑，它与采空区四周支撑体形成一个完整的结构体系，承受上覆岩层的载荷。工作面进入正常推进阶段后，老顶岩层在煤壁前方周期性的断裂，煤层在垂直方向承受的支承压力呈现周期性的变化；同时，煤层在水平方向的应力由于泊松效应也呈现周期性的变化。采空区在工作面推进过程中，其围岩应力重新分布，按垂直应力变化的大小可分为应力增压区、应力减压区和应力稳压区，老顶断裂前的结构形式及其周围的应力再分布。
3.2.1 工作面回采过程中上覆岩层运动规律
采用数值模拟方法，模拟了工作面推采过程中不同阶段岩层运动规律和应力分布特征，如图3所示。
工作面推进4 m时，直接顶产生拉伸变形形成裂隙；工作面推进4～8 m时，直接顶冒落；工作面推进12～32 m时，坚硬老顶产生塑性破坏，形成裂隙；工作面推进32～40 m时，12 m厚砂岩老顶发生断裂，形成初次来压；工作面推进40～60 m时，老顶破裂继续向上发展，并逐步发生周期来压。工作面的老顶初次来压步距为32～40 m之间，周期来压步距12～20 m。
3.2.2 工作面回采过程中的应力场变化规律
分别模拟了工作面开采过程中工作面围岩应力场分布规律，如图4所示。
图4揭示了不同开采阶段超前支承压力影响范围的变化情况，超前支承压力随开采成周期性变化，与周期来压吻合，是老顶周期性断裂引起的。支承压力峰值与工作面距离也随工作面推采而成周期性变化，但变化范围较小，一般为8～10 m，平均为9 m。
4 主要结论
①随着工作面的推进，工作面采空形成的“O”型覆岩空间结构逐渐变为近似呈“D”型，工作面来压周期性显现，“D”型空间结构采场两侧实体煤破坏范围和支承压力分布规律基本相同。
②由数值模拟结果可知，工作面的老顶初次来压步距为32～40 m之间，周期来压步距12～20 m。工作面回采过程，工作面超前支承压力最大影响范围为60 m，支承压力峰值位置为8～10 m，平均值为9 m。不同开采阶段超前支承压力影响范围的变化情况，超前支承压力随开采成周期性变化，与周期来压吻合，是老顶周期性断裂引起的。支承压力峰值与工作面距离也随工作面推采而成周期性变化，但变化范围较小，一般为8～10 m，平均为9 m。
参考文献：
[1] 钱鸣高，缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报，1995，（2）.
[2] 王泳嘉，麻凤海.岩层移动的复合介质模型及其工程验证[J].东北大学学报，1997，（3）.
[3] 赵经彻，何满潮.建筑物下煤炭资源可持续开采战略[M].徐州：中国矿业大学出版社，1997.