浅埋复杂岩层影响下煤层支承压力演化规律研究

摘要

以扰动区段煤柱应力变化过程为研究对象，研究了浅埋煤层综采条件下侧支承压力的演化规律。物理模拟实验结果表明，采煤后，由于煤层顶板的垮落，关键层上覆岩层会对断面煤柱产生不同程度的扰动，煤壁附近支承压力突变程度最大。受关键层破裂释放能量的影响，应力突变区向煤壁深部移动，塑性区范围增大。从数值模拟的角度,根据煤柱支承压力的变化特征在采矿过程中,顶板岩层复杂的动态加载过程分为三个阶段:这个阶段不受采矿、动态负载行动的舞台,舞台上的静态负载。在第一阶段，侧支撑压力仅受巷道开采影响，造成煤体应力集中;应力集中系数小，支护应力稳定。第二阶段，随着工作面的推进，由于采空区上覆岩层的移动，煤层载荷不断变化，在动载荷的影响下侧支承压力发生明显变化。第三阶段上覆荷载在煤层内形成应力集中，并不断向深部煤壁转移，增大了煤体的极限平衡面积。在此期间，塑性区范围仍以一定的速度在一段时间内增大，最终趋于稳定。

1.介绍

新疆、鄂尔多斯盆地和内蒙古东部是我国煤炭能源的主要产区。有大量浅层煤田，埋在地下150米以内。但在浅埋煤层开挖过程中，受开采影响，采场侧支撑压力重新分布，覆岩结构发生变化，导致地表沉陷、台阶沉陷等不连续变形灾害。这严重阻碍了矿山生产的可持续发展。因此，掌握侧压力的动态演化规律，识别覆盖层的结构变化特征，对控制地表不连续变形具有重要意义。

国内外研究人员对开采影响下的上覆岩层结构变化及煤层支承压力演化规律进行了多种研究。弗里思与里德[1]，发现设计矿柱时应考虑覆盖层水平应力。基于Corkum和Board [2[覆盖层之间的重大机械差异很容易导致覆盖层中的应力拱形成，然后促进多层屋顶塌陷事故的发生。Sivakugan等人。[3.]总结了两种解决应力的方法，并通过多种研究方法分析了应力差。Tian等人[4]发现多煤层开采条件下煤柱支撑压力增大一倍，顶板破坏加剧，覆盖层结构破坏范围增大。柴等人[5]开展了采动过程中覆岩结构与地表变形的内在关系研究，主要受超厚砾岩关键层控制，并将其分为三个阶段。Han等人[6]建立了基于物理模拟试验的关键层阴影。Ye等人[7]发现煤层倾角大导致深部煤层应力增加区不均匀，上覆岩层离层现象频繁。在覆盖层结构无压差或压差较小的情况下，Yang等[8]认为覆盖岩层的顶板以组合梁的形式破坏。当覆盖层结构的压差较大时，屋面会发生弯曲。根据水平和垂直应力分布，Kong等[9]将拱区划分为外边界、内边界和质心三部分，指出内边界是判断顶板稳定性的主要指标。Wang等[10]发现在浅层煤层开采中，压拱内存在一个核心承重区，其宽度决定了压拱的承载能力。Wu et al. [11]认为关键层的主要和周期性骨折是由拉伸衰竭引起的。Song等人。[12]通过结构力学和模拟试验证实，增加砂岩厚度可以通过有效控制深厚煤层上覆岩层来增加上覆构造。Chen等[13通过对深部厚煤层上覆岩层的有效控制，得出了综放工作面煤柱峰值支承压力的计算公式及分布规律。Jiang et al. [14研究了特厚煤层大断面巷道不同宽度矿柱护巷的围岩控制。Fu等[15研究了厚煤层大采高综放工作面顶板断裂及侧支承压力分布规律。覆岩结构大致可分为复合覆岩结构和非复合覆岩结构两类。通过总结学者的研究成果，发现目前的研究主要集中在非复合关键层覆岩结构上，部分学者[16- - - - - -24]对主关键层和次关键层复合关键层覆岩结构进行了研究，取得了良好的效果。通过对杨家村煤矿的调查，发现矿区覆岩结构较为特殊，存在两个次关键层。因此，以杨家村煤矿为工程背景，通过实地调研、理论分析、数值模拟实验、相似材料模拟试验等方法，本文进行了研究上覆岩层结构的变化和复合关键层的侧向支承压力分布规律的主要关键层+两个次要关键层开采过程和煤柱的合理设置条件下的覆岩结构,提供了重要的指导和参考。

2.研究条件

本研究以内蒙古自治区杨家村矿2201工作面为研究对象。工作面煤层属于2-2上煤层，煤层平均倾角为1°15′，平均厚度为5.5 M煤层顶板为细砂岩、砂质泥岩，具体岩层综合柱状图见表1．

杨家村煤矿基岩厚，地表疏松层薄。杨家村煤矿在地下开采过程中，主要发现如下:基本基岩顶板全部坍塌;上覆疏松层没有完全脱落;顶板结构处于动态变化状态，对侧支压力的演化有较大影响。在采煤过程中，采空区顶板岩层发生周期性断裂，断裂岩块铰接形成不稳定的“砌体梁”结构。结构失稳前后支承侧压力变化明显，对巷道产生影响，如图所示1．

3.覆岩运动与侧台压力演化的物理模拟

３．１．相似仿真试验方案设计

3.1.1。相似参数的选择和模型铺设

在本研究中，对上覆岩层移动和侧基压力演化进行了物理模拟。基于相似理论和相似条件，相似材料模拟试验建立了与现场地质构造和应力条件相似的模型。之后的研究解决了野外观测困难和机械结构不清晰的问题。通过计算得到相似材料模拟的相似条件参数，如表所示2．

浅埋煤层相似材料模拟采用采煤层底板突水相似模拟试验系统，如图所示2．试验台的参数为长×宽×高= 900 mm × 500 mm × 800 mm，模型比例为1:200。选择砂、碳酸钙、石膏进行类似材料的模拟试验，如图所示3.．以砂为骨料，石膏和碳酸钙为粘结材料。根据矿山地质条件，计算了相似材料模型下各岩层的物质侵蚀和层厚。根据相似比，模型总厚度为662 mm。表中计算了类似材料模型的比例3.．

3.1.2。监控方案设计

为了研究煤层开采过程中覆岩移动和侧支承压力演化特征，需要在煤层和覆岩中布置多个测点监测应力演化过程。四组测量线(图4(a))在煤层中布置，四组间距分别为5 cm。每组4个测点，相邻测点间距6cm。两组相邻测量线测点错开。第一组测量线与第三组测量线的距离分别为15 cm和55 cm。三组测量线(图4(b))布置在煤层上方10cm处;测线5、测线6、测线7分别位于测线1、测线2、测线3上方;每组测线测点之间的距离为6cm。测点的具体位置如图所示4．

３．２．相似模拟试验结果分析

3.2.1之上。相似材料覆岩的移动分析

模拟工作面长度为60 m;测点布置在距侧煤体40 m范围内;工作面沿煤层走向推进。模拟开挖时间比为1:10;每2 h开挖1次;每处挖掘深度为5厘米。在开挖过程中，观测并记录了工作面的首次来压和周期来压步骤。记录了关键覆岩的变形、断裂、坍塌等关键过程，如图所示5．

从图中可以看出5工作面推进50 m过程中煤层顶板无明显变化(图5(一个)）;然而，当工作面的前进距离达到50米时，发生直接屋顶的明显弯曲和下沉，并且局部塌陷和骨折区域出现在工作面后面（图5 (b)）;当工作面采至70 m时，切眼上方岩体的旋转变形为铰缝形式，工作面后方直接顶板完全坍塌;当工作面推进至80 m时，采空区上覆岩层大面积坍塌。同时，由于悬顶面积大，次关键层发生了塌陷。此时崩落高度为27.5 m(图)5 (e))根据岩层破碎的方式，采空区上覆岩层将大面积坍塌。在整个开采过程中发现，露天采场上方的岩层是铰接的，不随工作面的推进而变化。然而，工作面后面的覆盖层显示出不稳定的铰接结构，容易发生岩石失稳和整体切割沉降。

3.2.2。关键层结构演化与应力转移法分析

杨家村煤矿上覆岩层为复合关键层结构。工作面开采时，煤柱和巷道围岩受到不同程度的动载荷扰动，如岩石破裂、崩塌、断层滑动等。这种动态负荷扰动现象对煤矿的安全运行有着重要的影响。在矿压作用下，关键层破碎失稳，向外释放能量，引起煤体破坏和响应。力的再分配是煤矿动载荷扰动的重要来源。煤矿动荷载扰动的因素很多，如断层滑动、钻爆、地震等地质现象都会产生动荷载。然而，受实验条件的影响，本研究仅关注关键层破裂和坍塌的动荷载现象。顶板断裂引起的动荷载如图所示6．

在煤层挖掘过程中，钥匙层的运动和监测应力同时观察到。在实验结束时，关键层的骨折与测量点的应力变化相结合，并且对压力进化进行了比较和分析，如图所示7．

如图所示7(一)，测点2-1和测点5-2的应力演化趋势不同。测点2-1的应力随工作面推进而增大，测点5-2的应力演化曲线随工作面推进先增大后减小。通过对应力演化曲线的分析可知，测点5-2位于关键层断裂线外，由于关键层断裂失稳，应力大幅降低；在此期间，在采空区覆岩重力的影响下，关键层应力降低，测点2-1的应力在相应时间显著增加。从图中可以看出7 (b)2-2测点和6-1测点的应力演化曲线趋势一致。两测点的应力均受关键层的破断和失稳扰动影响，且随工作面开挖均呈上升趋势。从图中可以看出7 (c)和7 (d)两个测点水平距离煤侧壁较远，动载荷扰动对应力波动影响较小。工作面靠近时，由于超前支承压力和关键层断裂失稳的影响，应力演化幅度较大。

关键层断裂破坏释放出大量能量，侧向煤体重新分配应力。动载荷扰动使侧向煤体峰值应力增大，峰值应力向深部煤壁移动。应力在断层线外下降，低于原始岩石应力。由于扰动，侧向煤塑性区的范围也增大，如图所示8．

4.煤体侧压力演化的数值模拟

4．1.应力演化数值模型设计及开挖方案

以下4.4.1。三维数值模型创建

为了研究煤矿开采中支承侧压力的演化特征，建立了FLAC3D数值计算模型。根据杨家村煤矿的地质条件和开采现场，X方向)为120米;罢工长度(Y方向)为250m;和高度(Z方向)为45米。为了简化计算，选取一定高度的煤层顶板和底板作为数值模拟计算模型。如图所示9煤层顶板中砂泥岩厚度为5 m，泥岩厚度为8.5 m，细砂岩厚度为15 m。煤层底板砂泥岩厚度为4 m，细砂岩厚度为8 m，煤层厚度为5.5 m，煤层倾角为0°30′-2°，水平倾角平均为1°15′。

4.1.2。参数选择

采用塑性软化模型和粘弹塑性模型模拟煤层的开挖和流变过程。模型的边界条件根据上部荷载设定，其余5条边受界面约束固定位移X，Y,Z的方向。根据地质条件，煤层埋深为120 m，煤层在原岩应力作用下的应力为3.9 MPa。为了简化仿真，模型的高度为45 m，长度为250 m，宽度为120 m。见表4为模型中各岩层的参数。

4.1.3。仿真方案设计

模拟煤层开挖宽度为60 m，模型每次开挖20 m。操作步骤为2000步;开挖20 m，工作面长220 m。在模型开挖过程中，实时监测模型的煤侧塑性区范围、侧压应力峰值、极限平衡区范围、应力影响范围和平衡时间。对模型进行平衡后，将塑性软化模型视为粘弹塑性模型，进一步研究流变状态下的应力演化特征。

4．2．仿真结果分析

4.2.1。准备动荷载作用下煤侧应力演化与传递规律(开挖过程)

开挖期间的工作面对的运动平衡在采空区上覆地层,测量点设置在侧煤体50米在工作面监控侧煤体的应力变化。每次挖掘20米。开挖后得到相应的应力分布云图，如图所示10．

为了研究动态加载阶段侧支承压力的演化，模拟了煤层开挖至模型平衡时侧支承压力峰值的演化和塑性区范围，如图所示11．

从图中可以看出11将侧支压力的演化分为4个阶段:超前支压力影响阶段、应力上升阶段、峰值应力和峰值应力维持阶段。在30m前，侧支压力仅受巷道开挖影响，高于煤层原岩应力;该阶段煤体不受超前支承压力的影响，且支承压力变化缓慢。工作面−30 ~ 0 m段受超前支承压力影响，该阶段应力受巷道掘进应力集中和超前支承压力影响，支承压力曲线呈上凹形上升。0 ~ 60 m段为应力上升阶段。在此阶段，采空区上覆岩层的悬挑面积大幅度增加，导致煤体的应力次数增加，支承压力曲线近似呈直线增加。当工作面超过80 m时，采空区岩层移动逐渐趋于稳定，逐渐进入峰值应力阶段。压力开始缓慢下降，趋于稳定。

4.2.2。静载下煤体侧方应力演化及传递规律(开挖稳定后)

在煤矿开采中，上覆岩层稳定后，煤层在自重载荷和构造应力的作用下长时间保持不变。这种状态可以看作是煤体的静载荷。为了研究进化的侧煤体支承压力和煤岩特征失败在这个条件下,采用均衡模型及其本构关系改变研究煤的应力强度特征的身体处于流变状态。

流变模型是一种能够模拟材料复杂变形的模型。典型的粘弹性模型不能有效地描述岩石蠕变的全过程。因此，将Mohr-Coulomb模型和粘弹性模型(burger)联系起来，建立粘弹性模型(burger)和Mohr-Coulomb模型(M-C)对应的串联模型，即cvisc模型，如图所示12．参数类型如表所示5．

如图所示12，为了促进表示，元素符号被简化，并且E分别表示为弹性体和粘性体。如果 ，本构模型为burger模型，流变本构模型为burger模型蠕变:

如果 ，cvisc模型可以表示为: 在哪里ε^p是塑性应变和σ_年代为材料屈服极限总应变率:

应力不变形式的M-C屈服准则和剪切屈服准则为: C是凝聚力;φ为内摩擦角;σM是平均应力， ； 为等效应力， ；I1是应力的第一不变量;I2是应力的第二个不变量;θ是矿脉角度， ．

用应力不变量表示的拉伸屈服准则为

Fc是岩石介质的抗拉强度。

煤层开挖至上覆岩层移动停止、模型平衡后，在自重载荷和构造应力的作用下，煤层长时间保持不变。这说明在静载荷作用下，煤体进入了流变状态。为了研究流变状态下的侧向应力演化规律，采用粘弹塑性模型研究了流变2a期间的应力演化，并绘制了图13和14被获得。

从图中可以看出13随着时间的推移，煤在距煤5 m处的应力逐渐减小，流变状态下的应力曲线呈现幂函数曲线形式。此外，将流变状态下的应力演化曲线划分为四个阶段。首先，在0.5年的流变期内，侧向应力从19.3 MPa逐渐减小到16.9 MPa，应力减小了2.4 MPa，变化率为12.5%;在后三个阶段，流动应力呈现缓慢下降趋势，并逐渐趋于稳定。结合动态加载阶段的应力演化，可得出应力变化范围最大的是在开采阶段，流变期为0.5年。

煤进入流变状态后，煤体塑性区范围逐渐增大，煤体峰值应力与煤壁距离(即塑性区范围)呈幂函数曲线发展。选取两流变年塑性区变化趋势，使演化曲线达到峰值支承压力，如图所示14. 从图中可以看出，塑性区从4.7增加到5.4 0.5年期间，增长率为15%。在一年的流变期内，塑性区范围增大到0.25 m，增长率为4.6%。煤流变一年后，塑性区范围有一定的增加趋势，但在一定时期内增长率逐渐下降到零。可以看出，在从煤层开采平衡到流变状态的0.5年期间，塑性区范围变化最大，从而使煤柱设置和巷道开挖滞后于工作面合理化。

5.结论

杨家村煤矿地层为复合关键层构造。煤层开采关键层断裂形成砌体梁，导致滑动失稳和旋转变形失稳。第二次关键层悬空，工作面继续推进，岩层塌陷向上发展，侧应力先增大后减小。关键层和上覆层的破坏失稳产生了不同程度的应力扰动。应力扰动在煤壁附近更为明显，且随着离煤壁距离的增加，应力扰动的影响逐渐减小。

在动载荷作用下，煤层采空区上方形成卸压区，煤体侧部形成应力集中。应力曲线的影响范围逐渐向煤体的高、深方向发展。随着工作面的推进，不同深度测点距煤壁的应力先增大后减小，各阶段煤体塑性区范围不同，但总体呈增大趋势。变换曲线的形式是幂函数曲线。

煤层开挖覆岩平衡后，在静载作用下，煤层进入流变状态;桥台侧压力随时间的增加而增大;应力集中系数呈抛物线形式减小。在流变作用下，侧支承压力峰值与煤壁之间的距离逐渐增大，且增大速率随着时间的推移而减小。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 51804179, no . 51974173);山东省重点研发计划项目(no . 2019GSF111024);煤矿水资源保护与利用国家重点实验室开放基金项目(SHJT-17-42.14)， SDUST科研基金项目(2018TDJH102)，山东省优势特色学科泰山学者团队支持计划。

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