石沟驿煤矿采场矿压分布规律数值模拟研究
摘要： 本文依据石沟驿煤矿开采工艺、水位地质、岩体力学试验等基础资料，采用FLAC-3d数值软件，对开采过程中采场矿压的释放和转移规律进行研究。通过研究揭示了沿煤层倾斜剖面，工作面上方存在应力拱结构。作为主要的承载体，应力拱起到了力的传导作用，它将上覆岩体的压力传递到工作面上下隅角位置，在上运输巷附近形成支承压力。
Abstract： The paper studies on the regularity of releases and transfers of ground pressure in mining process by using numerical software FLAC-3d and coal mining process and basic information such as level geology， rock mechanics testing. Through research， it reveals there is stress arch structure at coal section and the work surface. As the main supporting body， stress arch play the role of transmission， it passes the pressure of overlying rock to the work surface from top to bottom corner， and forms support pressure near transport roadways.
关健词： 矿压分布规律；数值模拟；FLAC-3d
Key words： rock pressure distribution law；numerical simulation；FLAC-3d
中图分类号：TD82 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）08-0024-03
0 引言
煤层大面积机械化开采具有高效、自动化程度高等特点，但由于煤层往往与岩层成近水平层状分布，高强度开采回程中势必引起煤层和围岩的应力变化，而整个矿山系统的运营系统位于其中，必然收到采动应力的影响，并诱发冒顶、片帮等破坏现象。综合对比常规研究手段，本文采用FLAC-3d数值软件建立矿区开采仿真模型，对研究采掘区域的压力释放和转移规律进行研究。
1 工程及地质概况
石沟驿矿区位于宁夏回族自治区西南部，矿区所在位置为低缓的半沙漠、丘陵地带，地势四周高、中间低，一般高差为30m。石沟驿井田为一宽缓的向斜构造，即石沟驿向斜，向斜两端抬起，中间开阔呈一椭圆对称的鱼盘状向斜构造。目前石沟驿煤矿技改井S136已经进入回采阶段，S146正处于开掘阶段，从现场调查的情况来看，影响巷道稳定的主要问题为巷道顶板下沉，掉包、帮部的片帮和底部的底鼓现象。S136，S146巷道所处位置煤层直接顶与直接底均为泥岩，由于开采煤层较薄，使得开掘致使巷道破顶（破底），使泥岩直接暴露在外，而泥岩强度较低，稳定性差，节理发育。为此研究开采过程中采场、围岩矿压变化对于对石沟驿矿软岩巷道围岩控制、保证矿山高效、经济、安全生产具有意义深远。
2 数值模拟方案
2.1 数值模型建立 以神华宁煤集团石沟驿煤矿S136工作面地质与技术条件为背景，对六煤层综采工作面三维采场的宏观力学行为进行研究，通过数值模拟手段来揭示覆岩移动规律以及采场矿压的特征，回采引起的巷道变形发展规律，为石沟驿矿区六煤层开采和现场安全生产提供可以借鉴的理论依据。根据技术部门提供的地质及开采资料建立模型图如图1。
2.2 模型力学参数及边界条件 通过现场取样并进行力学试验，结果显示，当矿压达到岩层的最大承受值时，岩体发生塑性流动变形，但其残余强度仍然存在。所以，我们在通过计算对岩体的破坏进行判断时，采用了莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则：
f■=σ■-σ■■-2c■ （1）
在公式（1）中，σ1是最大主应力，σ3是最小主应力，φ代表摩擦角，c表示粘结力。如果fS>0，材料将出现变形以及应变软化，并且出现剪切破坏。考虑到岩体抗拉强度在一般情况下会很低，我们在判断岩体有无拉破坏时可以以抗拉强度准则（σ3？叟σT）为依据。
通过对现场的地质情况进行调查，并在对岩石进行力学试验的基础上，综合岩石尺度效应因素，我们适当降低了相关的岩体力学参数以用于模拟计算。（见表1）。
在采空区，垮落材料的特点是不可逆压缩变形和具有宏观连续性。在各向同性压力作用下，垮落矸石将造成应变硬化和永久性体积缩小现象。我们用体积硬化模型来对这种体积硬化力学行为进行描述（图2）。
在回采面向前推进的过程中，采空区会出现矸石冒落的情况。宏观上看，作为一种松散介质，我们可近似地用变形不可逆支撑体来对矸石支撑顶板的力学作用进行描述。需要注意的是，在工作面不断推进的过程中，覆岩的作用会对矸石起到压实的效果。随着时间的推移，材料的泊松比υ、密度ρ、弹性模量E都会出现增加。根据现有研究结果，我们可以用下面公式来表述ρ、E和ν的变化规律：
ρ=1400+800（1-e-1.25t）（kg/m3） （2）
E=15+200（1-e-1.25t） （MPa） （3）
ν=0.05+0.2（1-e-1.25t） （4）
在上面公式中，以年作为时间t的单位。公式（2）～（4）反映了随着时间的变化，ρ、E和ν呈现出指数增长的变化关系，并最终达到恒值。
根据神华宁煤集团石沟驿煤矿S136煤层埋藏深度（H=200～300m）和平均岩体容重（γ=2300kg/m3）推算。由于构造应力也会带来一定影响，因此，沿煤层倾向的水平主应力以及沿走向方向的水平应力，应该分别取垂直应力的1.2倍和0.8倍。
2.3 计算过程 岩体的力学行为以及变形发展与开采的过程和历史有着密切的关系，这种关系也体现了采矿工程的力学特点。本计算通过下面的步骤，对石沟驿S136综采面煤层的采场围岩应力分布进行模拟：
①计算在给定边界与位移条件下模型的初始状态；②模拟开掘S136回风巷和运输巷；③分步模拟开采S136工作面煤层。
3 计算结果分析
3.1 综采煤层应力分布 分析显示，由于工作面位置不同，S136综采面煤层内的应力分布形式、集中程度也会不同。综合来看，在分布范围和强度上，工作面回风巷以上的应力分布窄、力度较小，而运输巷以下则分布较广、力度较大，最大值达22MPa。工作面前方支承压力峰值作用位置走向上距离工作面约5.3m，最大垂直应力值约17.6MPa，是原始应力的2.8倍（图3）。
应力集中较大的位置在工作面顺槽两侧5m处。沿工作面倾斜方向，采面下部（下部剖面运输巷煤帮2.97m）支承压力最大，采面上部（上部剖面回风巷煤帮2.69m）次之，采面中部最小（图4～图5）。
采空区内部应力较低，距采面9.5m范围内垂直应力降低较小，垂直应力随着距采面距离的增大而保持在1.5MPa的水平。随着工作面远离，侧向煤体边缘压力峰值逐步稳定（图6）。
3.2 沿工作面走向围岩应力场特征 沿工作面走向方向，工作面中部岩体、煤壁在工作面前方5.3m范围处于低应力状态，最大主应力在煤壁前方5.3m达到最大值18.3MPa（图7～图8）。
图9～图10分别给出走向剖面综采面中部围岩垂直应力、水平应力和剪应力等值线场。
三种应力的峰值基本在工作面前方相同的位置。通过剪应力图我们注意到，煤层中剪应力在工作面前方变化梯度较大（图11），剪应力在顶板岩层中也比较高，它们是造成工作面前方煤层和顶板岩层剪切破坏的主要原因。
4 结论
依据神华宁煤集团石沟驿煤矿S136综采工作面工程地质和开采技术条件，运用非线性大变形有限差分数值计算软件FLAC3D，具体探析采场煤层分布规律，从而掌握工作面煤层及其周围岩体的三维应力场分布规律，进而力学场分布及其变化规律的分析就变得有据可循：
①沿煤层倾斜剖面，工作面上方存在应力拱结构。位于沿煤层倾向工作面回风巷顶部岩体是上拱脚的分布位置，而下拱脚则位于沿煤层倾向工作面下端煤层以及周围底板岩层中，应力拱中的最大主应力大于拱内外岩层中的应力。应力拱是主要承载体，通过应力拱，上覆岩体荷载及压力可以传输至工作面上下隅角，进而在上运输巷附近形成支承压力。综采面位于低应力区，处在应力拱保护之下，这是其特有的力学特征。
②在岩体应力集中区，剪切应力、垂直方向与水平方向的应力一般会同时达到峰值，由此引起的围岩破坏多为拉剪复合破坏，而不仅仅是拉破坏或剪切破坏，因此，我们应该根据力学参量的特点采取有针对性的措施，才能对岩层实施有效的控制。
③由于围岩内应力释放和受工作面采动影响综合作用的结果，S136工作面回风巷两帮岩层中的水平应力在与工作面距离很远的地方应力值就已达到一定的高度，且会随其与工作面距离的缩短而逐渐升高，与工作面相距5米处达到峰值。综合考虑巷道应力场分布特征，可以得到在巷道下帮以及靠近下帮侧的顶板是破坏易发生区，应加强支护。
参考文献：
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[2]孙广忠.岩体力学基础[M].北京：科学出版社，1983.
[3]蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002.