综放开采顶煤采动应力场演化路径

秦海初，邵 斌，程海星，霍昱名

（1.中煤华晋集团有限责任公司，山西 运城043300；2.中煤华晋集团有限责任公司 王家岭煤矿，山西 运城043300；3.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安710054；4.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原030024）

综放开采自20世纪80年代引入我国后，得到了较为充分的发展，已经成为了我国煤炭开采领域的重要标志性成果[1,2]。综放开采是在综合机械化采煤工艺的基础上，历经高位放顶煤、中位放顶煤、低位放顶煤工艺多次变革，成为我国目前最为普遍的综采主导技术。它具有高产高效、安全、降耗等诸多优点。对于综放开采技术的基础理论研究，主要集中在支架围岩关系[3-4]、顶煤破坏机理[5-6]、煤岩运移规律等方面[7-8]。顶煤的破坏由其所受的应力状态决定[4-9]，因此，综放开采工作面应力场演化规律是关键基础问题之一[10-11]，国内外学者对其展开了大量的研究工作。陈忠辉[12]等通过损伤力学理论和实验验证相结合方法[13]，对综放工作面前方支承压力分布特性进行了研究；吴建[14]等成庄矿采场围岩应力分布进行了研究，得出煤体和上覆岩层采动应力的增加是同步的；刘长友[15]等对孤岛工作面支承压力分布特征进行了分析，得出超前支承压力存在2个峰值区域，顶煤支承压力峰值大于底煤；刘金海[16]等对深井特厚煤层综放工作面支承压力进行了分析，将回采期间煤体垂直应力的变化沿走向进行了分区；赵鲲鹏[8]分析了综放工作面不同倾角下采场围岩的应力状态，与现场实测结果相吻合；王德超[17]等分析了回采过程中超前支承压力变化规律，认为工作面“见方”阶段垂直应力最大；刘钦节[18]等在朱仙矿地应力实测的基础上，对综放工作面采动应力场演化规律进行了研究，得出了地应力与综放采场采动应力场演化的关系；黄志增[19]等在实验室模拟了顶煤真实应力环境，得出了巨厚煤层顶煤破坏形式及对不同层位顶煤的冒放性做出了评价；魏世明[20]等对支承压力研究现状进行了综述，得出了有关支承压力的研究的特点及存在的问题；王家臣[21]等对综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制进行了研究，得出综放开采过程中主应力大小及方向的演化规律。大部分学者将其简化为最大主应力为垂直应力、中间主应力与最小主应力相等的情况，着重考虑了垂直应力演化特性而忽略了原岩应力状态及中间主应力。为此，研究以王家岭煤矿12309综放工作面为工程背景，在原始地应力测试基础上，针对工作面前方顶煤中主应力场演化规律展开。

1 工程背景

1.1 工作面概况

王家岭煤矿位于山西省河津市，12309工作面位于其西翼，煤层平均6.1 m，为近水平煤层，结构简单，赋存状况稳定，平均埋深360 m，沿东西方向由西向东进行回采。工作面位置如图1。

工作面直接顶为粉砂岩，平均厚度3.54 m，基本顶为细粒砂岩，平均厚度4.2 m。直接底为细粒砂岩与泥岩互层，平均厚度2.77 m，基本底为中粒砂岩，平均厚度24.29 m。采用综采放顶煤工艺进行回采，采高3.1 m，放煤高度3.0 m，采用ZFY12000/23/34D型两柱放顶煤液压支架，额定工作阻力12 000 kN，初撑力9 420 kN。

图1 工作面位置Fig.1 Location of panel 12309

1.2 地应力测试

运用空心包体类三维应力测量法对王家岭煤矿原始应力进行现场测量，于12309邻近工作面选取3个测站，分别测量其地应力大小及方向。首先在测站自巷帮用钻机钻进应力解除孔（直径130 mm），至不受除钻孔以外的其他工程影响的位置（1.25倍巷道宽度b）；磨平大孔孔底后，再同心钻进小直径孔（直径36 mm）穿过待测点；在小测量孔内安装环氧树脂三轴应变计，24 h后，待环氧树脂完全固化，用直径130 mm的取心钻头对含有应变计的岩心进行应力解除，解除过程引起的岩石变形可由应变计中不同方向的应变片通过数据采集器检测和记录，地应力测试过程如图2。

图2 地应力测试过程Fig.2 Testing process of ground stress

由现场地应力测试结果可知，矿区水平应力大于垂直应力，最大水平应力σx为南北方向，平均侧压系数为λx=1.52，最小水平应力σy为东西方向，平均侧压系数为λx=0.45，地应力测试结果见表1。

表1 地应力测试结果Table 1 Measurement results of ground stress

2 数值模拟

2.1 数值模型及参数

2.1.1 数值模型及测线

按照图2中各岩层厚度建立数值模型，以正南北向为x轴，正东西向为y轴，垂直方向为z轴，全部由六面体单元组成。因旨在研究工作面中部推进方向主应力演化规律，固不考虑工作面长度对顶煤体中主应力空间演化规律的影响，因此模型尺寸为长×宽×高=200 m×200 m×80 m，工作面模拟尺寸为走向150 m、倾向100 m，数值模型及测线位置如图3。

图3 数值模型及测线位置Fig.3 Numerical model and line layout

根据λx=1.52、λy=0.45，设置模型侧压系数，进行初始应力反演，再对工作面一次开挖，计算至平衡（以模型最大不平衡力比率小于10-5为平衡条件），导出工作面中部测线位置的3个主应力大小及方向。测线位于工作面中部顶煤内，测线起始坐标为（100，100，21.5），终止坐标为（100，200，12.5），测线中每隔1 m选取1个测点，共设置测点100个，待模型开挖平衡后，通过FISH语言中内置“z_pstress”函数，提取每个测点的3个主应力大小、方向，测线位置如图3（b）。

2.1.2 边界条件及本构模型

1）应力边界。数值模型总高80 m，煤层底板在数值模型中位于27.06 m处，即数值模型中煤层埋深为52.94 m，由于实际煤层平均埋深为360 m，因此需要在模型上边界施加相当于307.06 m厚度的岩层重力，按照岩层平均密度为2.2 t/m3计算，得模型上边界应施加应力σz=6.76 MPa。

2）位移边界。对数值模型前、后、左、右4个边界面施加法向位移约束，对模型底面施加全位移约束。

2.1.3 本构模型及参数

数值模型均为煤、岩石等材料，因此选用FLAC3D内置Mohr-Coulomb本构模型进行模拟，数值计算中各岩层物理力学参数汇总见表2。

表2 岩层物理力学参数Table 2 Lithologic parameters in numerical model

3 结果分析

3.1 主应力大小演化规律

工作面开挖后，由于开采扰动，顶煤体内应力场重新分布，但采动影响并不会波及到整个测线。测线30 m范围内的3个主应力值大小分布曲线如图4。

图4 主应力大小分布曲线Fig.4 Principle stresses distribution

图4中（0，0）点位置处3个主应力大小均为0；0～4 m范围为模拟工作面液压支架控顶区，该区域3个主应力大小基本呈线性逐渐升高，最大主应力σ1从0升高到3.20 MPa，中间主应力σ2从0升高到2.05 MPa，最小主应力σ3从0升高到0.69 MPa；最大主应力σ1、中间主应力σ2在11 m左右达到峰值，而最小主应力σ3则在13 m左右达到峰值，其中最大主应力σ1峰值为25.09 MPa，应力集中系数为1.90，中间主应力σ2峰值为18.17 MPa，应力集中系数为2.13，最小主应力σ3峰值为8.13 MPa，应力集中系数为1.87。

中间主应力集中系数最大，最大主应力与最小主应力集中系数相近；在16 m左右，最大主应力与中间主应力大小相等，即σ1=σ2，该现象的产生是由于王家岭煤矿原岩应力场最大水平应力大于垂直应力，受到超前采动应力的影响，垂直应力不断升高，逐渐大于了水平应力，在这个过程中最大主应力向垂直方向旋转，中间主应力向水平方向旋转。

3.2 主应力方向演化规律

3.2.1 最大主应力方向演化规律

综放开采过程中，最大主应力与3个坐标平面的夹角演化曲线如图5（截取测线前60 m区间）。

图5 最大主应力与各坐标平面夹角Fig.5 Angels between maximum principle stress and planes

在原岩应力状态下，最大主应力与y-z平面夹角为90°，与x-z、x-y 2个平面的夹角均为0°，与实际情况相符。最大主应力与x-z、x-y、y-z 3个平面的夹角变化开始于17 m左右，因此将曲线0～17 m范围定义为最大主应力偏转区，进一步地，以煤壁为分界线，将偏转区划分为壁前偏转区和壁后偏转区。

对于x-y平面，最大主应力偏转始于17 m位置处，17～15 m范围，最大主应力与x-y平面夹角从1.75°迅速偏转至82.10°；15 m至最大主应力峰值位置（11 m）区间内，最大主应力方向与x-y平面夹角基本保持不变；11 m（最大主应力峰值位置）到4 m（煤壁位置）区间内，最大主应力方向与x-y平面夹角先减小后增大，在5 m位置降低到50.27°，5～4 m区间内，最大主应力方向与x-y平面夹角增加10°，达到60.04°；4～0 m区间为壁后旋转区，最大主应力方向与x-y平面夹角先增大至86.01°然后保持基本稳定。

对于x-z平面，最大主应力偏转也开始于17 m位置处，在17～16 m范围内，最大主应力与x-z平面夹角从0.27°偏转至7.62°；16 m至最大主应力峰值位置（11 m）区间内，最大主应力方向与x-z平面夹角基本保持不变；在11 m（最大主应力峰值位置）到4 m（煤壁位置）区间内，最大主应力方向与x-z平面夹角先增大后减小，在5 m位置增大到39.37°，5～4 m区间内，最大主应力方向与x-z平面夹角减小10°，至29.63°左右；4～0 m区间为壁后旋转区，最大主应力方向与x-z平面夹角先减小至3.99°，然后保持基本稳定。

对于y-z平面，最大主应力方向偏转从距离17 m左右处开始，在15 m左右，最大主应力方向与yz平面夹角为1.51°，近似0°，即在17～15 m内的2 m左右区间内，最大主应力与y-z平面旋转了约90°；从15 m处至0 m位置，最大主应力方向与y-z平面夹角保持0°左右，基本稳定。

3.2.2 中间主应力方向演化规律

综放开采过程中，中间主应力与3个坐标平面的夹角演化曲线如图6（截取测线前60 m区间）。

在原岩应力状态下，中间主应力与x-y平面夹角为90°，与x-z、y-z 2个平面的夹角均为0°，与实际情况相符。中间主应力与x-z、x-y、y-z 3个平面的夹角变化开始于53 m左右（以角度变化大于5°为旋转分界线），因此将曲线0～53 m范围定义为中间主应力偏转区，进一步地，以煤壁为分界线，将偏转区划分为壁前偏转区和壁后偏转区。

图6 中间主应力与各坐标平面夹角Fig.6 Angels between intermediate principle stress and planes

对于x-y平面，中间主应力偏转开始于53 m位置处，在53～17 m（σ1=σ2）区间中，中间主应力与x-y平面夹角缓慢减小，从原始90°减小到80.17°；中间主应力与x-y平面夹角从17 m处开始剧烈变化，至15 m处时，中间主应力与x-y平面夹角由17 m处的80.17°降低至1.50°，接近0°；15～0 m区间内，中间主应力与x-y平面夹角保持0°基本稳定。

对于x-z平面，中间主应力偏转开始于53 m位置处，在53～17 m（σ1=σ2）区间中，中间主应力与x-z平面夹角缓慢增大，从原始0°增大到8.65°；中间主应力与x-z平面夹角从17 m处开始减小，至15 m处时，中间主应力与x-z平面夹角由17 m处的8.65°降低至0.20°；15～0 m区间内，中间主应力与x-z平面夹角保持0°基本稳定。

对于y-z平面，中间主应力方向偏转从距离17 m左右处开始，偏转过程剧烈，在15 m左右，最大主应力方向与y-z平面夹角为近似88.49°，即在17～15 m内的2 m左右区间内，中间主应力与y-z平面旋转了近90°；从15 m处至0 m位置，最大主应力方向与y-z平面夹角保持0°左右，基本稳定。

3.2.3 最小主应力方向演化规律

综放开采过程中，最小主应力与3个坐标平面的夹角演化曲线如图7（截取测线前60 m区间）。

在原岩应力状态下，最小主应力与x-z平面夹角为90°，与x-y、y-z 2个平面的夹角均为0°，与实际情况相符。最小主应力与x-z、x-y、y-z 3个平面的夹角变化开始于53 m左右（以角度变化大于5°为旋转分界线），因此将曲线0～53 m范围定义为最小主应力偏转区，进一步地，以煤壁为分界线，将偏转区划分为壁前偏转区和壁后偏转区。

图7 最小主应力与各坐标平面夹角演化规律Fig.7 Angels between minimum principle stress and planes

对于x-y平面，最小主应力偏转开始于53 m位置处，在53～11 m（最大主应力峰值位置）区间中，最小主应力与x-y平面夹角缓慢增大又缓慢减小，该区间内，最小主应力方向与x-y平面夹角变化浮动较小（未超过10°）；最小主应力与x-y平面夹角从11 m处开始，发生较显著变化，在11～4 m区间（煤壁位置）内，最小主应力与x-y平面夹角先增大后减小，先由11 m处的7.31°增加至5 m处的39.73°，在减小到4 m处的29.96°；壁后旋转区间内，最小主应力与x-y平面夹角由4 m处的29.96°减小至3 m处的3.99°，后保持相对稳定。

对于x-y平面，最小主应力偏转开始于53 m位置处，在53～11 m（最大主应力峰值位置）区间中，最小主应力与x-y平面夹角缓慢减小又缓慢增大，该区间内，最小主应力方向与x-y平面夹角变化浮动较小（未超过10°）；最小主应力与x-y平面夹角从11 m处开始，发生较显著变化，在11～4 m区间（煤壁位置）内，最小主应力与x-y平面夹角先减小后增大，先由11 m处的82.69°减小至5 m处的50.27°，在增大到4 m处的60.04°；壁后旋转区间内，最小主应力与x-y平面夹角由4 m处的60.04°增大至3 m处的86.01°，后保持相对稳定。

对于y-z平面，最小主应力方向与y-z平面夹角在整个综放过程中均为0°，保持稳定。

3.3 主应力分区及演化路径

将主应力场分布曲线进行分区，将主应力场由远及近地分为4个区域：原岩应力区、应力升高区、应力峰后降低区、支架控顶区。

在上述各区域内取特征点，提取其应力大小作为应力路径，其中，原岩应力区特征点1个、应力升高区特征点3个、应力峰后降低区3个、支架控顶区2个，各分区特征点位置如图8。

图8 各分区特征点位置Fig.8 Location of characteristic points

4结论

1）王家岭矿原始地应力场中，最大水平应力>垂直应力>最小水平应力，其中，最大水平应力方向为南北向，平均侧压系数为1.52，最小水平应力方向为东西向，平均侧压系数为0.45。

2）顶煤各主应力在煤壁前方一定距离均存在应力集中现象，其中，最大主应力、中间主应力峰值均出现在测线11 m位置处，应力集中系数为1.90、2.13，最小主应力应力峰值出现在测线13 m位置处，应力集中系数为1.87。

3）最大主应力方向旋转的特征点位置有3个，分别出现在位置、最大主应力峰值位置、煤壁位置，中间主应力方向旋转的特征点位置有1个，出现在位置；最小主应力方向旋转的特征点位置有2个，依次出现在最大主应力峰值位置、煤壁位置。

4）根据主应力场演化特征，将顶煤分为原岩应力区、应力升高区、应力峰后降低区及支架控顶区，并在4个区域内共选取了9个特征点，组成了顶煤主应力演化路径，为后续顶煤破坏规律的研究提供应力基础。