摘要：以大平煤矿S2S9工作面为研究对象，与邻近工作面实测资料相结合，利用ADINA有限元软件模拟研究工作面开采过程中覆岩的应力场及地表移动特征.研究结果表明：岩层下沉为非对称下沉；开采完成时，地表形成了对称的下沉曲线和反对称的水平移动曲线，最大下沉值位于采空区的正中央，而在开切眼和停采线出现了水平移动峰值；距离煤层顶板越近，煤壁上方覆岩中竖向应力峰值越大，采场前支承压力区一般分布在工作面前方45-90m内，峰值点距煤壁10m左右.

　　关键词：覆岩应力场；地表移动；下沉曲线；水平移动；支撑应力

　　〇引言

　　地下煤层的大面积开采破坏了原岩的初始应力平衡状态，在应力重新平衡的过程中，必然导致覆岩的冒落、断裂和弯曲，使岩层及地表产生移动、变形和破坏[1-3],由此带来一系列灾难性后果，如造成地表建筑物和大面积农田的损毁、地下管网等基础设施破坏[4-5].因此，研究煤层开采过程中覆岩的应力场和位移场的变化情况，不仅是矿井安全生产的关键，也是治理地表沉陷的基础[6-71国内外学者采用现场探测、相似材料模拟及数值模拟[8-11]等方法对这方面已做了大量研究.因数值模拟具有周期短、成本低等优点，本文以大平煤矿S2S9工作面为研究对象，与邻近工作面实测资料相结合，利用ADINA有限元软件模拟研究工作面推进过程中覆岩的位移场和应力场的分布特征.

　　1工作面地质条件概况

　　以大平煤矿S2S9工作面为研究对象，煤质工业牌号为长焰煤，黑色，沥青光泽，条带状结构，块状构造，贝壳状断口或平坦状断口，质脆，开采深度丑=733m，煤层采出厚度M=9m，倾向长度i=227m，走向长度乃=2100m，煤层倾角a=7，覆岩顶板主要由砂岩、砂泥岩、泥岩和油页岩等构成，地表水库按最大水深5.58m考虑.

　　2数值模拟

　　2.1计算模型及边界条件

　　在考虑既采动范围和避免边界效应影响下，计算模型的尺寸确定如下：Z向（深度方向）上，从煤层底部向下延伸200m作为边界影响区域，故模型高度共计5.58+733+9+200=947.58m;F向（模型走向）上，考虑到充分采动的影响，取工作面的最大推进尺寸为795m，左右各取208m的边界影响区域，故模型长度为280+795+280=1355m.模型几何尺寸为FxZ=1355mx947.58m，模拟为放顶煤开采，

　　表1煤岩物理力学、水力学参数

　　岩性E/GPaP/(g.cm3)0/(〇)C/MPa〇"t,MPa孔隙率渗透系数/(m3.d.kg-1)

　　第四系0.550.362.09031.70.060.450.421.32x10-5

　　砂岩1.700.302.22745.01.190.230.35.29x10-6

　　砂岩0.800.282.22046.00.850.820.325.29x10-6

　　砂岩1.700.302.22945.00.360.340.315.30x10-6

　　砂岩0.800.282.45841.01.280.230.35.25x10-6

　　砂岩1.700.332.22738.00.790.230.335.29x10-6

　　砂岩0.800.232.52240.01.341.020.35.25x10-6

　　砂泥岩1.700.252.24739.01.761.020.158.81x10-8

　　砂泥岩1.800.342.45841.01.281.020.188.81x10-8

　　砂泥岩1.800.332.44038.01.651.020.168.78x10-8

　　泥岩1.500.342.29037.01.580.290.408.81x10-9

　　泥岩1.500.272.47038.00.390.290.408.81x10-9

　　油页岩2.100.332.16041.80.230.320.158.35x10-6

　　煤层1.100.291.30039.80.200.220.402.64x10-5

　　砾岩2.800.262.39038.80.670.680.308.81x10-3

　　砾岩3.190.332.48042.40.760.570.308.81x10-3

　　采放高度9m左右，每次推进15m，依次推进795m结束，共开挖53步.共模拟15组岩层，1层煤层，1层地表水，共17个单元组，5994单元，6234节点.因为煤层倾角较小(7°)，直接选择为水平煤层，图1为数值建模示意.

　　水库

　　岩层

　　开切眼

　　X推进方向^

　　底板

　　1355m

　　图1大平煤矿S2S9数值建模示意Fig.1numericalmodelingschematicofS2S9workingfaceindapingcoalface

　　模型边界条件包括力学和渗流两种边界.力学边界：模型左右边界约束水平位移，边界水平位移为零；底部边界施加固定约束.渗流边界条件模型左右边界和底部边界设置为不透水边界，在第四系与潜水接触面设置流固耦合边界，水库表面为自由面.

　　2.2参数选择

　　本文米用ADINA-Structures模块的porous材料

　　特性来求解渗流问题，取流体的体积模量为2.3GPa，流体密度为1000kg/m3,其它煤岩的物理力学、水力学参数见表1.在模型过程中，力学分析选用摩尔-库仑强度准则，渗流分析选用Darcy定律.

　　2.3计算方案

　　模拟分为两步：第一步计算开挖前，即只有重力存在的情况，通过此步骤计算初始地应力；第二步首先通过重启动对达到初始应力平衡的沉降清零，再通过定义不同的生死单元来模拟工作面的推进过程.

　　3数值模拟结果分析

　　3.1覆岩位移场分析

　　地下煤层的大面积开采破坏了原岩的初始应力状态，在应力重新平衡的过程中,岩层也在不断通过移动的方式释放能量.工作面周围岩体涌向采空区是岩层移动的主要形式,如自重作用下覆岩的的下沉、采空区底板的隆起等.图2?图5分别为工作面推进135m、270m、405m、和795m时覆岩

　　|尸

　　-0.2

　　-0.4

　　-0.6

　　-0.8

　　-2.0

　　-2.2

　　-2.4

　　-2.6

　　图3走向推进270m时垂直位移场分布　　0.133I-0.133-0.267-0.400-0.5330.667-0.800-0.933-1.067-1.200I-1.333I-1.467-1.733

　　垂直位移场的分布.

　　图4走向推进405m时垂直位移场分布（单位：m)

　　从图2-图5中可以看出：

　　(1)随着工作面向前推进，回采扰动影响加剧，上覆岩层的下沉量逐渐增加，工作面分别推进135m、270m、405m、和795m时，走向方向顶板下沉量分别为1m、1.69m、2.65m和7.73m.

　　(2)随着开采向前推进，工作面前后方岩层的下沉量并不一致：一方面，工作面后方区域的岩层逐渐被压实，变形逐渐减小；另一方面，受回采扰动的影响，工作面作面前方的岩层受产生了明显的变形.

　　(3)工作面推进135m时，回采的影响开始波及地表，形成下沉盆地；当作面推进405m时，引起土层整体变形，使岩整体下沉量急剧增大；工作面推进795m时，即模拟结束时，位移场基本以采空区中央轴为轴对称分布，这时顶板最大下沉量达到最大.

　　Fig.4verticaldisplacementfielddistributionpromoting405malongstrikeofworkingface(unit:m)

　　10.2m

　　-0.6-1.2-1.8-2-4-3.0-3.6

　　-5.4-6.0-6.6-7.8

　　图5走向推进795m时垂直位移场分布（单位：m)Fig.5verticaldisplacementfielddistributionpromoting795malongstrikeofworkingface(unit:m)

　　3.2地表变形分析

　　0.1

　　0

　　-0.2

　　-0.3

　　-0.4

　　-0.5

　　-0.6

　　-0.7

　　-0.8

　　-0.9

　　-1.0

　　-1.1

　　-1.2

　　-1.3

　　图2走向推进135m时垂直位移场分布（单位：m)Fig.2verticaldisplacementfielddistributionpromoting135malongstrikeofworkingface(unit:m)

　　图6为模拟开采完成时，水库和第四系相接的地表的下沉曲线.由图可见：工作面开采完成后地表形成了对称的下沉盆地，在开切眼和停采线正上方对应的地表点形成了曲线的拐点，拐点处下沉值为最大下沉值的一半.从边界到拐点处曲线的斜率逐渐增大，表示下降的幅度逐渐增大；从拐点到中心点曲线的斜率逐渐变小，表示下降的幅度逐渐增小，回采区段中心上方下沉值大为3.99m，下沉系数为3.99+9=0.44.

　　图7为工作面开米元成时水库和弟四系相接的地表的水平位移曲线，由7图可见，工作面开采完成后形成了反对称的水平移动曲线，在开切眼和工作面正上方对应的地表点处出现了水平移动峰值，但靠近开切眼处水平变形值要小于工作面处的水平移动值，最大移动值为69.39cm，水平移动为零的点位于盆地边缘及回采区段中心上方，沉降曲线中对应的拐点水平位移最大为69.39cm，最大倾斜为0.69.39x2+397.5=3.49mm-m-1.

　　-4.5

　　-800-600-400-200

　　800

　　3.

　　-08"

　　图7不同推进进度时地表水平移动

　　地表点移动轨迹分析

　　在工作面的推进过程中，地表点的移动变形是一个复杂的时间和空间过程，图8为地表最大下沉点^的移动轨迹.

　　距米空区正中央的距离/m

　　距采空区正中央的距离

　　表2给出大平煤矿其它3个工作面N1S1、2N1和S2S2观测站（线）地表下沉情况，确定大平煤矿的下沉系数在0.42?0.64之间，而模拟的S2S9的下沉系数为0.44,说明该数值模拟的结果较好的符合了实际情况.

　　水平移动/m-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.050

　　图8地表最大下沉点A的移动轨迹

　　由图8可以看出，点4的移动轨迹分45、5C、CD和^四个阶段：①阶段，即回采工作面从开切眼由远及近接近地表点原始位置正下方的过程，该点4的移动方向与工作面推进方面相反，下沉速度和水平移动速度都很小，水平移动和坚直沉降分别为0.258m和1.07cm;②5C阶段，即回采工作面从原始位置的正下方向前推进15步，即推进150m的过程，点的移动向量仍是向着远方的开切眼，曲线的斜率逐渐变大，这表示下沉速度逐渐增大，到达C点时下沉速度达到最大，水平移动速度变为零，水平变形达到最大值0.326cm，此时坚直沉降1.94m;③CD阶段，当工作面继续向前推进时，点4的水平移动方向发生转变，移动向量指向工作面

　　图6走向推进795m时地表沉降

　　Tab.2表2工作面NISI、S2N1、S2S2观测站（线）地表下沉统计observatorysurfacesinkingstatisticsofN1S1、S2N1、S2S2workingface

　　工作面测点采高/m观测时间下沉/m下沉系数

　　N1K8.692005-11-185.5600.64

　　S1T812.16206-06-2978600.65

　　Q187.702008-10-2842270.55

　　S2L48.042008-10-2843740.54

　　N1C311.532008-10-2848420.42

　　S2

　　S214.242007-09-0474000.5

　　方向，水平移动值将逐渐减小，竖直沉降逐渐增加；④阶段，当回采工作面远离地表点原始水平位置一定距离后，地表点还略有下沉.开采挖成后，该点的竖直沉降为3.99m，但该点并不完全回到其原始水平位置，而是略偏向推进的回采工作面一方，该微小距离即为该点最终水平移动量1.18cm.

　　3.4垂直应力场分析

　　图9为工作面分别推进60m、135m、270m、405m、540m、675m、和795m时煤层顶板竖直应力场的变化情况.沿煤层走向看，煤璧前方先出现一定宽度的低支承应力区，由于煤体强度的降低，压力向煤体内部转移，煤层顶板重分布的压力逐渐升高至峰值应力，最后随着远离工作面垂直应力又开始逐渐趋于原岩应力.前支承压力区分布在工作面前方45?90m内，峰值点距煤壁10m左右，随着工作面推进距离的逐渐增大，前支承应力的峰值点逐渐前移，而后支承应力的峰值点位置几乎不变，大小都是随着工作面的推进逐渐增大.当工作面分别推进60m、135m、270m、405m、540m、675m和795m时，对应的峰值应力分别为36.9MPa、54.3MPa、76.3MPa、93.1MPa、108MPa、127MPa和149MPa，集中应力系数分别为2.2、3.12、3.9、4.27、4.4、4.75和5.19.集中应力系数的变化范围为2.2?5.19,且随着工作面的推进逐渐增大，但增加幅度逐渐变小.从采空区的竖向应力来看，由于煤层的开挖，采空区上方的覆岩垮落，导致其竖向应力得以释放，应力值接近于零.但随着煤层开采向前推进，竖向应力值有小幅的上扬，这是由于采空区内冒落的岩块承担了部分上方岩层的重量.

　　-270

　　开切眼-1350

　　工作面推进方

　　~^05540

　　945

　　①推进60m

　　②推进135m

　　③推进270m

　　④推进405m

　　⑤推进540m

　　⑥推进675m⑦⑦推进795m

　　图9不同推进度时煤层直接顶竖向应力分布

　　图10为工作面沿走向推进405m时距离煤层顶板不同距离处覆岩垂直应力的变化情况，从图中可以看出，在工作面煤壁上方的覆岩中均出现了竖向应力峰值，距离煤层顶板近，峰值越大.煤层顶部支承压力峰值为93.1MPa，应力集中系数为4.27;距离煤层顶46m处的压力峰值显著减小，为32.4MPa，是原岩应力的1.83倍；距离煤层顶86m处压力峰值进一步减小，为23.4MPa，是原岩应力的1.54倍；距离煤层顶板196m处的压力峰值接近原岩应力.由于煤层的开挖，采空区上方覆岩的竖向应力均减小，距离煤层越近，降低的幅度越大，煤层顶部的竖向应力得以完全释放，应力接近于零，降低的幅度最大；煤层顶板上方196m处竖直应力降低的幅度最小.

　　图10距煤层不同距离处覆岩竖向应力分布

　　4结论

　　采用数值模拟与邻近工作面实测资料相结合的方法，研究工作面开采过程中覆岩的位移场和应力场的分布特征，得出了如下结论：

　　(1)回采完成时，地表形成了下沉盆地，下沉系数为0.44,最大下沉值为3.99m，位于工作面的中央，拐点位于开切眼和工作面的正上方，拐点处下沉值为最大下沉值的一半.

　　(2)随着工作面的推进，水平移动值在不断的增加.开采完成时，水平移动出现了反对称的曲线形态，水平移动峰出现在开切眼处和停采线处，并且开切眼处的水平移动峰值要小于停采线处的水平移动峰值，最大水平移动峰值为69.39cm，位于停采线处.水平移动为零的点位于盆地边缘及回采区段中心上方

　　(3)地表点在工作面的推进过程中经历了与工作面推进方面相反再到相同的4个复杂的时间和空间过程，最终地表点略超过其原始位置正下方，并略偏向推进的工作面的一侧.

 

　　(4)距离煤层越近，工作面煤壁上方岩层中形成的压力峰值越大，工作面上方196m处的压力峰值接近原岩应力.采场前支承压力区分布在工作面前方45?90m内，峰值应力距煤壁10m左右，前支承应力的峰值点位置随着工作面的推进而前移，大小随着工作面的推进的逐渐增大.

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