采場全生命周期及其應力的時空演化特征分析

鄭建偉,鞠文君,趙 曦,吳建星,任 碩,趙朋朋,王 帥

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部,北京 100013; 3.晉能集團長治有限公司,山西 長治 046000; 4.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710054; 5.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

井工回收煤炭資源過程中采場圍巖的穩定性控制對礦井的安全高效生產至關重要，人為開挖形成的回采工作面及巷道圍巖內部應力的變化是引起采場圍巖發生顯著變形以及失穩的主要因素之一[1-2]。地下巖體在未遭受人為影響的情況下處于受力平衡狀態，開掘巷道等人為工程的開展，破壞了圍巖內部的應力平衡，會引起應力的重新分布。壓力拱、砌體梁和傳遞巖梁等理論模型[3-11]的建立從力學和結構的角度(空間尺度)分析大范圍內覆巖結構的演化特征;實驗室不同尺度物理相似模擬[12-15]和數值模擬[16-19]盡可能真實的模擬現場情況來更直觀的分析覆巖運移過程中圍巖內部的應力分布;收集現場實測的[20-22]超前支承應力和工作面頂板應力的數據主要是針對特定區域特定時間內開展的單項研究。針對于從采場形成到停采的采場全生命周期范圍(時間尺度)內采場覆巖的空間結構(空間尺度)的演變和對應的力學分析尚缺乏深入研究。

基于此，筆者借助材料力學建立了采場全生命周期內覆巖的結構模型，分析了采場全生命周期范圍內覆巖空間結構在時間和空間條件下的動態演變特征，且給出了對應的力學模型解。最終對比分析采場應力中超前支承應力和工作面頂板應力的演化特征，對采場全生命周期進行劃區，可以對回采過程中的高位應力區進行初判，確定相應的潛在危險區域，為采場的合理支護和安全生產提供保障。

1 采場全生命周期時空邊界

井工回收煤炭資源過程中，回采工作面空間位置的變化會改變上覆巖層的空間結構形態，上覆巖層結構的動態平衡及失穩又會影響采場圍巖煤巖體內部的應力分布[23]。隨著回采工作面的推進，由彈性力學以及現場實測可知:受應力重新分布影響，回采工作面前方待采煤體中會形成一定范圍的應力異常即超前支承應力范圍，該范圍內煤體內部的垂直載荷稱之為超前支承應力，回采工作面則處于應力相對降低區，該處頂板應力的顯現主要表現在液壓支架工作阻力的變化，在此我們將工作面超前支承應力和工作面頂板應力統稱為采場應力，且采場應力的演化決定了回采巷道圍巖的支護方式及液壓支架參數的選擇。

在本論文中我們將回采工作面的開切眼到停采的全部過程稱之為采場的全生命周期過程，切眼的貫通意味著回采工作面通風系統的完成，可以認為是回采工作面的起點，同時也標志著采場的正式形成?；夭晒ぷ髅嫜刂呦蚍较虻耐七M依次經歷直接頂初次垮落、基本頂初次來壓、周期來壓以及停采。因此通過對采場在不同時間和空間位置參量下覆巖結構的演化進行分析，可以確定采場從生成(開切眼)、常規推進(頂板來壓)和終止(停采)的全生命周期過程中不同階段的采場應力的形成機理及演化規律。采場的生成(開切眼)、常規推進(頂板來壓)和終止(停采)對應的空間劃分如圖1所示。

圖1 采場全生命周期空間劃分Fig.1 Space division about generation,regular advancing, stopping of stope

2 采場全生命周期覆巖力學分析

2.1 開切眼區覆巖力學分析

開切眼的主要作用是回采及掘進設備的安裝以及形成完整的通風回路以供后續煤炭資源的回收，切眼的貫通標志著采場的全生命周期的起點。開切眼掘進前，掘進期圍巖煤巖體受地應力場作用而處于三向應力平衡狀態，開切眼工程的掘進改變了圍巖應力場的分布。開切眼形成的采煤等機械設備安裝空間內，表面圍巖處于臨空狀態(側向應力為0)，即一定深度范圍內圍巖煤巖體三向應力狀態變為單軸壓縮狀態，超過一定深度又恢復到三向應力平衡的應力狀態。常規開切眼過程中由于開掘的空間相對較小，且開切眼過程中上覆頂板圍巖尚未造成結構性破壞，基本保持原地質賦存狀態。開切眼導致的回采工作面煤壁側及煤柱側超前應力分布概化曲線如圖2所示。

圖2 開切眼區超前支承應力分布特征Fig.2 General characteristic of abutment pressure of open- off cut zone

如圖2所示，待回采煤壁側因應力重新分布而形成一定范圍的超前支承應力(σ)，其主要由兩部分組成，一部分為煤壁側上覆巖層自重導致的垂直應力(σo)，一部分為開切眼空間上部巖層自重與液壓支架支撐力的合力傳遞至煤壁的應力增量(Δσ)。綜合考慮常規開切眼寬度(沿走向方向)較小，所以忽略因開切眼導致的上覆巖層的移動、離層等活動造成的影響。

σ=σo+Δσ

(1)

σo=γh

(2)

G=γhL

(3)

(4)

式中，σ為煤壁側支承應力，MPa;σo為垂直應力，MPa;G為上覆巖層的自重，N;γ為上覆巖層的平均容重，N/m3;h為上覆巖層的厚度，m;L為開采空間沿走向方向的長度(在開切眼期間代表開切眼的寬度)，m;l為超前支承應力的范圍，m;Ph為回采工作面液壓支架提供的支撐力，N。

聯立式(1)～(4)可知:開切眼區域煤壁側支承應力分布與開切眼空間形態、圍巖參數和埋深呈正相關，與液壓支架施加的支撐力呈負相關，且該區域內不進行回采作業，因此該階段內煤壁側的超前支承應力屬于靜載荷;該階段內工作面內頂板對液壓支架的作用也相對較弱，整體處于平穩階段，在液壓支架初撐工況條件下有較小的應力升高現象，但并不明顯，在恒阻工況條件下，液壓支架的工作阻力也隨著頂板的微小變形而增加，代表著工作面頂板應力發生較小增加;綜合以上超前支承應力以及工作面頂板應力在開切眼階段的演變可以認為該階段內采場應力整體處于低位應力狀態且不發生明顯波動。

2.2 頂板來壓區覆巖力學分析

2.2.1直接頂初次垮落區覆巖力學分析

回采工作面設備安裝及調試結束后從開切眼開始沿走向方向向前推進，直接頂懸頂面積在一定范圍內則隨著回采工作面推進距離的增大而增大，直接頂與基本頂巖層因為自身巖性不同而具有不同的極限撓度，若此時液壓支架提供不了足夠的支撐力則會出現離層現象，當直接頂巖層達到自身的極限撓度時直接頂發生垮落，此稱之為直接頂初次垮落[24]。此時煤壁側內部的超前支承應力主要由兩部分組成，一部分為煤壁側上覆巖層自重導致的垂直應力(σo)，一部分為已采區直接頂上方至地表的巖重傳遞在煤壁側的應力(Δσ)，如式(5)所示，其中k為結構比，指開采導致的結構的垂向范圍占采場深度的比例。對該過程中煤壁側實體煤受力進行簡化，考慮極限情況，認為直接頂自重(Gd)對于液壓支架的應力與液壓支架對直接頂應力(Ph)相等，如圖3所示。聯立式(4)和(5)，將Ph=Gd代入得出式(6):

Gd=khLγ

5)

(6)

在該階段回采工作面推進過程中，L是穩定增加的，開采導致的結構的范圍也是增加的，即結構比k隨著L的增加而增大。對比式(4)與(6)可知在開切眼至直接頂初次垮落范圍內，隨著開采的進行，直接頂從原巖賦存穩定狀態到初次垮落失穩狀態的過程中，直接頂上覆巖層未形成鉸接結構，工作面前方煤壁側支承應力與工作面內頂板應力呈穩定增加的趨勢，由于回采的空間范圍仍然相對較小，所以該階段內采場的應力增長的幅度較小。

圖3 直接頂初次來壓超前支承應力分布Fig.3 Abutment pressure distribution of first direct roof collapse

2.2.2基本頂來壓區覆巖力學分析

直接頂初次垮落之后，基本頂繼續保持大面積懸露，回采工作面繼續推進，基本頂懸露達到初次斷裂的極限跨距時，基本頂斷裂形成三鉸拱式平衡，即巖塊ABC之間互相作用而保持平衡。當巖塊ABC之間可以形成立體鉸合，隨著回采工作面的推進，巖塊B可以發生回轉運動，形成回轉失穩;當巖塊A和C對巖塊B的作用力較小不足以維持巖塊B的平衡而直接滑落作用在支架上形成滑落失穩;基本頂巖塊的初次失穩(回轉失穩和滑落失穩)并作用在采場液壓支架上稱之為基本頂初次來壓?；卷敵醮蝸韷褐?，基本頂巖層形成的立體鉸接結構隨著工作面的推進而周期性失穩來壓，此過程稱之為周期來壓[26]，因此在基本頂初次來壓時工作面液壓支架的工作阻力將達到自開切眼以來的最大值，也表示著工作面頂板應力達到該階段內的最大值，基本頂初次來壓覆巖結構變化如圖4所示。

圖4 基本頂初次來壓覆巖結構變化Fig.4 Abutment pressure distribution of periodic weighting and structure of roof

在基本頂周期性失穩的運動過程中煤壁前方的超前支承應力(σ)主要由3部分組成:第1部分為煤壁上覆巖層自重導致的垂直應力(σo);第2部分為采場上部巖層形成的空間結構外至地表的巖重傳遞至煤壁的應力(σ1)，如式(7)所示;第3部分為已采區上覆巖層形成的鉸接結構傳遞至煤壁的應力(f(x))，如式(8)所示，該外部載荷主要與煤壁上部巖梁的懸露長度(lh)、不同層位三鉸拱中間巖塊回轉的角度(θ)和不同層位巖梁形成的鉸接結構對下部煤壁的傳力系數(η)有關的函數，依據懸臂梁理論以及鉸接巖塊假說可知，隨著上覆巖層懸臂梁長度的增加，f(x)值增大，三鉸拱中間鉸接巖塊的回轉角度(θ)的增加，f(x)值減小，且高位巖層結構的傳力系數(η)小于下位巖層的傳力系數，開采導致的上覆巖層結構受力模型如圖5所示。

σ1=(1-k)Lhγ

(7)

[lh1h1γ1+Φ1(lb1,h1,γ1,θ1)]+η2×

[lh2h2γ2+Φ2(lb2,h2,γ2,θ2)]+…+

ηi[lhihiγi+Φi(lbi,hi,γi,θi)]

(8)

其中，f1(x)，f2(x)，fn(x)分別為開采形成的第1層、第2層以及第n層(不同層位)結構對前方煤壁的應力，MPa;Φ1，Φ2，Φn為不同層位結構中間巖塊對下部煤壁的應力函數;η1，η2，ηn為不同層位結構的傳力系數;γ1，γ2，γ3為不同層位巖層的容重，N/m3;h1，h2，h3為不同層位結構內巖塊的厚度，m;lh1，lh2，lhn為不同層位結構內懸臂巖塊的長度，m;lb1,lb2,lbn為不同層位結構內中間巖塊的長度，m;θ1,θ2,θn為不同層位結構中間巖塊回轉角度，(°)。

圖5 開采導致的上覆巖層結構受力模型Fig.5 Stress model of overlying structure induced by excavation

當采動影響未波及地表，即尚未達到充分采動與非充分采動交界點時，工作面超前支承應力如式(9)所示:

(9)

隨著工作面的推進已采空間產生的結構性擾動的范圍逐步向上發展，且采動未造成關鍵層巖層破斷時，煤壁上方多層巖層產生鉸接結構，即采動擾動的空間增大(k增大)。當采動影響波及地表及覆巖關鍵層發生破斷后(充分采動)，即k=1，因此煤壁前方的超前支承應力(σ)主要由兩部分組成:第1部分為煤壁上覆巖層的垂直應力(σo);第2部分為采場上部巖層形成的空間結構對煤壁施加的外部載荷(f(x))，如式(10)所示:

(10)

在單個周期來壓內，周期來壓前煤壁上方巖層懸露長度大于周期來壓后的懸露長度，且鉸接結構中間巖塊的回轉角度逐漸增大，因此周期來壓后采場空間結構的演化對煤壁施加的外部載荷是減小的;當采動達到非充分采動與充分采動交界點時，即k=1時，對比分析式(9)和(10)可知，回采工作面超前支承應力的值達到回采工作面全生命周期過程中的極大值，回采工作面內液壓支架的工作阻力也同時達到采場全生命周期過程中的極大值，此時頂板劇烈來壓極易誘發動力災害及其他衍生災害。

當采動達到充分采動之后，回采工作面繼續回采至終采線則完成了本采場煤炭資源的回收。終采線位置的確定對于收尾撤架空間圍巖的穩定性有很大影響，主要可以分為2種情況:當停采工作面位于周期來壓期間，若基本頂的斷裂線和直接頂的破斷線相互貫通，則基本頂巖塊進行回轉時，工作面液壓支架的工作阻力增大，容易將支架壓死，且不利于設備回撤的進行，但是永久煤柱超前支承應力受到停采時間的增加而從相對較低的值逐漸增大;當停采工作面位于周期來壓前方時，巖塊B在回轉時液壓支架的工作阻力相對較小，有利于采場的穩定性，保證設備回撤的安全進行，但是永久煤柱側超前支承應力受到停采時間的增加從相對較高的值而增加，不利于巷道的維護，需要對巷道進行補強支護，保證巷道在設備回撤期間的安全性。

3 采場全生命周期數值模擬及工程借鑒

3.1 采場全生命周期數值模擬分析

本文借助UDEC軟件以某礦現回采工作面圍巖地質條件為研究背景來揭示采場全生命周期內覆巖結構和超前支承應力的動態演化特征過程，模型高度設計為179.00 m，其中覆巖厚度為143.00 m，煤層厚度為6.15 m，底板厚度為29.85 m;模型寬度設計為200.00 m，其中兩側各留設40.00 m的邊界煤柱，回采距離設計為220.00 m，煤層頂板物理力學參數和接觸面力學參數見表1;模型左、右、下邊界采用固定位移，左、右邊界施加側向載荷模擬回采工作面真實地應力環境，在距離煤層底板向下3.85 m(下部邊界向上26.00 m)位置，且距離左右邊界各30.00 m開始布置縱向載荷監測測線(測線長240.0 m)。

表1 頂板物理力學參數和接觸面力學參數Table 1 Mechanical parameters of the roof and the contact surface

圖6 采場全生命周期覆巖結構及超前支承應力演化Fig.6 Overlying structure deformation and advanced abutment pressure evolution on the whole life cycle of stope

如圖6(a)所示，開切眼形成后工作面繼續推進，依次出現直接頂離層且發生初次垮落(超前支承應力峰值為)、基本頂初次垮落導致的基本頂初次來壓、周期來壓、采動裂隙貫通地表進入充分采動以及充分采動范圍內的周期來壓直到停采。在采場全生命周期過程中受采動的影響而形成的覆巖結構逐步向外發展，超前支承應力也是動態變化的，在開切眼至基本頂初次來壓階段超前支承應力由平緩增長到該階段的最大值，隨后到達充分采動與非充分采動的交界點階段超前支承應力達到采場全生命周期內的極大值，進入充分采動之后超前支承應力又表現出明顯的周期性，如圖6(b)所示。

3.2 采場應力演化特征規律及工程借鑒

采場應力主要包含工作面超前支承應力和工作面頂板應力2部分。在采場全生命周期過程中工作面超前支承應力和工作面頂板應力均隨著覆巖空間結構的改變而變化，具有明顯的協調非同步演化特征和區域性特征?；诓蓤鰬Φ难莼卣?，將采場全生命周期分為發生期(Ⅰ)、發育期(Ⅱ)和穩定期(Ⅲ)3個階段。發生期(Ⅰ)對應開采過程中的開切眼、直接頂初次垮落和基本頂初次來壓3個階段，該期間工作面超前支承應力和工作面頂板應力均保持穩定的緩慢增長，其中工作面頂板應力在回采接近基本頂初次來壓時增長幅度和增速較大于工作面超前支承應力的增幅和增速，主要是上覆形成的鉸接結構的首次失穩造成的。發育期(Ⅱ)對應開采過程中的周期來壓直至充分采動和非充分采動交界點階段(采動裂隙貫通地表)，該期間工作面超前支承應力和工作面頂板應力均保持不同的增長速率;且在單個周期來壓內，周期來壓前工作面超前支承應力和工作面頂板應力均大于來壓后的超前支承應力值和工作面頂板應力值，但是二者并非同步達到各自的峰值，原因是當工作面超前支承應力達到峰值時頂板發生斷裂，垮落結構塊體的動載效應是工作面頂板應力的一部分;當工作面回采至非充分采動和充分采動的交界點時，工作面超前支承應力和工作面頂板應力先后達到采場全生命周期過程中的極大值。穩定期(Ⅲ)對應的是充分采動和終采兩個回采階段，該期間工作面超前支承應力和工作面頂板應力又保持著較為穩定的波動，周期來壓前工作面超前支承應力和工作面頂板應力均大于來壓后的超前支承應力值和工作面頂板應力值。采場應力(工作面超前支承應力和液壓支架工作阻力)演化特征曲線如圖7所示。

圖7 采場全生命周期超前支承應力演化特征曲線Fig.7 Advanced abutment pressure evolution curve on the whole life cycle of stope

通過對采場全生命周期應力演化規律的分析及其相應階段的確定，可以為回采巷道的支護設計優化和危險區域的預判提供可靠的理論基礎。針對不同的階段提供相對應的設計參數，有利于回采巷道圍巖的穩定性控制且做到區域化精細支護設計(不同區域采用不同的支護形式、支護強度)，從而在保障回采期間回采巷道安全的基礎上達到更好的經濟效果，如在開切眼后回采工作面初步回采過程中，超前支護范圍和強度可以適當降低;借助采場應力演化規律對不同回采階段的危險區域進行預判，提前確定高應力區以便及時給予相應的卸壓或者加固措施，防止由于臨時支護不及時導致的動力災害及其衍生災害;工作面頂板應力會滯后于超前支承應力而顯現，在對工作面液壓支架進行工作阻力分析時，需要在液壓直接工作阻力達到最大值前就對工作面前方超前支承應力段煤體采取相應的補強措施。由上述分析可知尤其在非充分采動與充分采動的交界點前期，需要嚴密監測巷道斷面收斂及煤壁內部應力的變化，在現場應力實測的基礎上結合相鄰工作面的生產經驗對圍巖煤巖體內部的應力水平進行合理預測，從而對沖擊地壓等動力災害的發生進行預判，及早采取卸壓措施，降低煤壁內部應力集中程度，防止此類災害的發生;在設置終采線的時候，需要綜合考慮周期來壓和停采工作面的位置，盡量將停采工作面布置在周期來壓后，有利于設備的回撤，增強回采巷道臨時支護的強度。

對于采場應力演化特征本文做了理論和數值模擬方面的分析，后續需借助相關的物理模擬實驗來對其進行進一步研究，一方面對理論研究提供實驗基礎，一方面可以具體分析得到的應力演化數據來進一步明確全生命周期劃分的數理依據，最終結合上述分析結果，深入挖掘物理模擬實驗過程中收集的數據，起到具有針對性的指導實踐生產的作用。

4 結 論

(1)采場全生命周期(回采工作面開切眼到停采)過程中工作面超前支承應力和工作面頂板應力均隨著覆巖空間結構的改變而變化，具有明顯的協調非同步演化特征和區域性特征，認為周期來壓內超前支承應力峰值會在空間和時間上超前于工作面頂板應力峰值出現，且二者均表現出周期來壓前大于來壓后的規律。

(2)依據采場應力的動態演化特征，將采場全生命周期分為發生期(Ⅰ)、發育期(Ⅱ)和穩定期(Ⅲ)3個階段，發生期(Ⅰ)對應開采過程中的開切眼、直接頂初次垮落和基本頂初次來壓3個階段;發育期(Ⅱ)對應開采過程中的周期來壓直至采動裂隙貫通地表階段;穩定期(Ⅲ)對應的是充分采動和停采兩個回采階段。

(3)發生期(Ⅰ)內工作面超前支承應力和工作面頂板應力均保持穩定的緩慢增長，其中工作面頂板應力在回采接近基本頂初次來壓時增長幅度和增速大于工作面超前支承應力的增幅和增速;發育期(Ⅱ)內回采工作面超前支承應力和工作面頂板應力均保持不同速率的增長，且當工作面回采至非充分采動和充分采動的交界點時，工作面超前支承應力和工作面頂板應力先后達到采場全生命周期過程中的極大值;穩定期(Ⅲ)內工作面超前支承應力和工作面頂板應力表現出穩定的波動。

(4)采場全生命周期內應力演化分析及劃區，可以為回采巷道的區域化精細設計和危險區域的預判提供可靠的理論基礎，以便提前采取相應的預防或者加固措施，保障采場的安全。