第52卷第12期煤炭工程
CO A L ENG IN EERING Vol. 52,No. 12
涡轮抽风机d o i：10. 11799/ce202012023
演化规律研究
张茂微，鲁健
(国家能源集团神东煤炭集团揄家梁煤矿，陕西神木719316)
摘要：基于孤岛工作面过上覆采空区采场及顶板应力演化规律，得出孤岛工作面过上覆采空区 过程中顶板的重点管控区域，并以榆家梁煤矿52209综采工作面为工程背景，采用弹性薄板理论和 G D E M数值模拟软件对其覆岩受力状态进行分析，结果表明：孤岛工作面过上覆采空区时，煤体受力
呈现非对称分布，上覆采空区影响范围可分为应力影响区、冒落卸压区和压实稳定区。最终得出，工作面进入冒落卸压区和压实稳定区过程中，压力显现不强烈，与正常回采区域相比无明显变化，此区 域为
次要管控区域，进入应力影响区过程中，尤其在上覆采空区外侧20m范围内，压力显现特别强 烈，此区域为重点管控区域，为工作面安全高效开采、避免顶板事故提供一定的理论依据。
关键词：孤岛工作面；上覆采空区；应力演化规律；洋性薄板理论；G D E M数值模拟
中图分类号：T D323 文献标识码：A文章编号：1671-0959(2020)12-0108-05
Stress evolution law of stope and roof of isolated working face
advancing beneath overlying goaf
Z H A N G M a o-w e i,L U Jian
(Yujialiang Coal Mine, CHN Energy Shendong Coal Group Co. , Ltd. , Shenmu 719316, China)
A b s t r a c t：
B a s e d o n the stress evolution law of stope a n d roof of isolated working face advancing beneath overlying goaf, the
focus of the roof control area is determined for the coal face advancement. B a s e d o n the enginee
ring background of 52209 fully m e c h a n i z e d coal face in Yujialiang Coal M i n e,elastic a n d thin board theory a n d G D E M numerical simulation software are used to analyze the strata stress. T h e results s h o w that, w h e n the isolated working face advances und e r the goaf, stress distributes asymmetrically o n the coal b o d y,influence range of the overlying goaf can be divided into：stressed zone, caving zone a n d
c o m p a c t e
d zone. Eventually, i t is concl u d
e d that, the strata behavior in caving zone a n d c o m p a c t e d zone is not strong, showing
n o obvious c hanges c o m p a r e d with normal m i n i n g area, the area as the secondary control a r e a；while the strata behavior is furious w h e n i t enters the stressed zone, especially within 20m outside of the u p p e r goaf, a n d this area is the key control area.
K e y w o r d s：isolated working face；overlying goaf；law of stress evolution；elastic thin plate theory；G D E M numerical simulation
煤矿开采过程中，为提高回采效率，加快工作面接续速度，国内煤矿多数形成孤岛工作面进行回采[|_
led日光管3]。孤岛工作面围岩应力场复杂，过上覆采空区时，受其两侧集中应力影响，应力场将进一步演化，导致生产过程中在集中应力影响区域内的保护煤柱及工作面围岩应力加大，巷道片帮、变形严重，成为制约工作面安全高效回采的重要因素为全面掌握孤岛工作面过上覆采空区应力分布情况，对孤岛工作面过上覆采空区时采场及顶板应力演化规律进行研究，旨在为顶板管理提供一定的理论依据。
1工程概况
1.1工作面概况
榆家梁煤矿52209综采工作面采用倾斜长壁后退式采煤法，工作面长度为371m，推进长度为
收稿日期：2020-07-30
作者简介：张茂微（1986—），男，辽宁海城人，工程师，现从事采煤技术工作，E-m a i l:928051035@q q.c o m。机床数据采集
引用格式：张茂微，鲁健.孤岛工作面过上覆采空区采场及顶板应力演化规律研究[J].煤炭工程，2020,52(12): 108
108-112.
2020年第12期煤炭工程研究探讨
5621m，埋深为89 ~ 150m，煤层平均厚度4.25m，度为20m，为典型的孤岛工作面，工作面上覆为 倾角为1°~3°，设计采高4.2m。52209工作面两侧 4330丨采空区，层间距平均47m，与运输巷错距为为52207和52210工作面采空塌陷区，保护煤柱宽 74m，工作面巷道布置如图1所示。
1.2围岩特征
52209工作面老顶以中砂岩为主，厚度7.1 ~
16.5m，中等硬度，属较稳定型（II)；直接顶为细
粒砂岩或粉砂岩，厚度2.5~6. l m，不稳定，易造成
工作面漏矸。
一般情况下，孤岛工作面开采后，上覆坚硬岩
层形成的承载结构遭到破坏，孤岛工作面承受采空
区基本顶回转力作用，煤体承受较高的静载荷和动 载荷，冲击危险进而增大[7,8]。当采用垮落法控制
采 空区时，采空区坚硬顶板易形成悬顶结构，悬顶大 面积垮落易造成工作面剧烈来压、顶板下沉、漏矸 严重。
2理论分析
2.1孤岛工作面力学模型分析
孤岛工作面形成后，两侧采空区直接顶垮落导 致采空区上方基本顶破坏失稳，伴随岩体力学的时 空效应，基本顶逐渐趋于稳定，形成典型的铰接梁 结构，此时孤岛工作面两侧煤柱为铰接梁支点，基 本顶产生向孤岛工作面的回转力矩；另外，两侧采 空区的回采破坏了孤岛工作面煤体的三向受力状态，煤体产生一定范围的塑性破坏，导致煤柱承载能力 降低，形成高于原岩应力的集中应力（办W)[9’1<)]。此时孤岛工作面煤体同时承受采空区顶板的回转应 力及回采引起的集中应力。
2.2薄板理论力学推导
孤岛工作面过上覆采空区时，受上覆43煤采空 区影响，52煤基本顶受力将会出现非均匀分布特 点，本文采用弹性薄板理论对孤岛工作面围岩力学 特征进行分析[n‘12]，弹性薄板的基本力学模型如图 2所示，图2中，a为弹性薄板长度，m; 6为弹性 薄板宽度，m;A为弹性薄板高度，m。
榆家梁煤矿52209工作面两侧煤柱宽度均为20m[l314]，故可视为薄板四边支撑条件为对边固支 对边简
支，如图3所示，固支边边界条件满足挠度 为〇，转角为0。简支边边界条件满足y方向力矩为 0，挠度为0。基本顶受力矩和的表达式为：
+ M XM2 + M%^ + + Mto a(1)其中，
式中，A/x为任一点x到〇点的距离，m；为载荷到坐标原点水平距离，m;+为载荷等效作用点距离，m;9为基本顶上覆载荷，k N/m2;，为o a，段的弯矩，k N .m;A/%为oa2段的弯矩，k N . m；财。«3为oa3段的弯矩，k N •m；为oa4段的 弯矩，k N.m;/1/。3为〇<1段的弯矩，k N.m。
为研究工作面进人采空区影响范围时直接顶受 力情况，引人公式：
式中，9。为原岩载荷，k N/m2;£为薄板弹性 模量，GPa; M为薄板泊松比；w为薄板挠度，mm。其中，拉普拉斯函数为挠度的四阶偏导数，与6/a的值相关[15]。
工作面过上覆采空区时，上覆采空区范围外的 下层煤顶板受到集中应力影响，载荷设为^=49。，
109
研究探讨煤炭工程2020年第12期
上覆采空区范围内的下层煤顶板受采空区影响，载荷设为t= 3g。，令6为变量，6/a分别为0.2、0.4、0.
5，得出结果进行分析处理，如图4所示，对 于对边简支对边固支的薄板在受到上覆非均匀载荷 的情况下，其薄板所受弯矩也呈不规则分布，虽然 上覆载荷在薄板两端（孤岛工作面保护煤柱）达到最 大，但在上覆载荷的影响下，薄板中部（对应孤岛工 作面中部）所受弯矩最大，这也是工作面中部支架工 作阻力较大的原因。同时，从图中可以看出，在n 值（工作面长度）一定时，随着6/〇值得增大，即6值（推进长度）的增加，薄板（基本顶）所受弯 矩值呈逐渐增大的趋势，即：在上覆基本顶完全破断之前，工作面所受弯矩受推进长度影响，推进长度 越大，弯矩越大，顶板稳定性越差。
图4对边固支对边简支薄板弯矩值分析
3数值模拟
3.1模型建立
采用G D E M数值模拟对采场围岩应力演化规律 进行研究，模型使用blkdyn.ImportGrid()；命令导 人第三方软件F L A C3n模型，模型长度为800m、宽度为400m、高度为130m的三维立体模型，共计 140000单元格。
模型按实际地质资料（煤层柱状图/地质报告）共划分为9层，并对各岩层参数进行赋值，具体见 表U
表1各岩层岩石力学参数
岩层厚度/m容重/( kg •n n-3) 弹性模量/GPa抗拉强度/MPa粘聚力/MPa内摩擦角/(-)泊松比剪胀角/(°)沙土-粘土301950 5.60.70.3623.50. 365
粗砂岩92460 6.51 3.6223.8022.50. 245金属检测传感器
粉砂岩624607.42 2. 3815.6829.50.245 43煤21380 1.99 1. 1719.2525.50.285
泥岩1026807. 27 5. 2418. 9626.50. 205
中砂岩1525608.71 1.3314. 1933.50.255
细砂岩624607. 59 5. 0324. 3628.50.285
52煤41120 1.99 1. 17
6. 3419.2525.50.25
粉砂岩824607. 4223.0929.50. 245
保险箱密码锁
3.2数值模拟分析
52209工作面煤体受两侧采空区影响，同时43 煤采空区外20m范围内，52209工作面受到上覆采 空区影响，形成应力影响区，如图5所示。在多重 应力影响的作用下，工作面过上覆采空区时，围岩 受力增大，煤体塑性破坏更为严重，导致围岩应力 峰值在影响范围内持续增大。另外，在43煤采空区 范围内，由于上覆43煤开采后，上覆基岩冒落形成 采空区，在其下方围岩应力减小，形成冒落卸压区；随着采空区中部塌陷被压实，形成压实稳定区，此 时采空区下方岩体受力呈现两边小中间大的情况。
煤体在受到周围采空区应力作用下，52209工作面受力呈不对称分布。如图6所示，未进行工作 面巷道掘进时，在43煤采空区应力影响区范围内，52209辅运巷与应力影响区重叠范围内的煤柱，受上覆采空区和孤岛「.作面应力影响，该区域内应力 峰值达到最大，为22. 3M P a，上覆采空区范围内，辅运巷煤柱受力呈现“减小一增大”的规律。另外，运输巷煤柱与上覆采空区错距为70m，受影响 程度较小，整条巷道应力分布均匀。
回采过程中煤体受力云图如图7所示，由图7 可知，52209工作面在上覆采空区影响下，煤体受
11
2020年第12期煤炭工程研究探讨
图5压力影响区
图6采空区影响下煤体受力云图
力呈不对称分布，整个回采过程中，工作面应力分 布表现为：应力影响区范围外，应力分布正常，工 作面两侧应力值偏小，中间应力值较大，这与理论 分析基本一致，随着进人采空区影响范围的推进距 离增加，工作面应力峰值由中部转至辅运巷侧，随 着工作面进人上覆采空区冒落卸压区范围内，应力 峰值由辅运巷侧转移向运输巷侧，并在随后的回采 过程中基本保持稳定。
(c)开挖120m (d)开挖180m
(e)开松40m(f)开挖300m
图7回采过程中煤体受力云图
分步开挖下应力演化全过程如图8所示，从图8 中可以看出，未进入采空区时，随着开采距离的增 加，顶板呈现出逐渐断裂下沉的状态，下煤层采面 应力峰值逐渐增大并且趋于平缓，并且在进入上层煤采空区应力影响区后，应力峰值急剧增加，经过 应力影响区后，工作面压力逐渐减小，并且在进入 压实稳定区后又逐渐升高，最终趋于平稳。
(e)开挖300m
图8回采过程中工作面剖面应力云图
从图8(a)中可以看出，上层煤开挖完成后，破 坏了原岩应力的三向应力状态，在采面附近及采空区 边缘5m内出现应力集中，应力峰值为9.59M P a，为原岩应力的3倍左右。应力集中造成采空区外侧20m 范围内形成了对下层煤开采具有一定干扰的应力影响 区。由于上层煤采空区开采造成岩石破坏产生应力释 放，上层煤采空区范围内，顶板胃落形成面积较大的 冒落卸压区，应力减小至0.28M P a。
52209工作面回采至上覆采空区应力影响范围 内时，工作面开采形成的超前支承压力区与43煤采 空区应力集中协同作用，形成了应力叠加区，在此 区域内，52209 T.作面应力峰值逐渐增加，并且增 加速率逐渐提高，开挖120m处的应力云图如图8 (b)所示，在43煤采空区应力影响下，此时工作面 前方应力峰值急剧增加至12.2M P a，工作面在应力 重叠区域内回采时，应适当增强支护强度，并制定 相应措施。
从图8(c)中可以看出，在工作面采至180 m处 (即工作面进人上覆采空区边缘范围内），应力峰值
111
研究探讨煤炭工程
2020年第12期
达到最大，为15. 45M P a ，为原岩应力的5倍左右， 此时支架支护阻力要求较高，应在此区域（应力叠加 区）内制定加快推进速度、快速甩压等措施，以免造 成压架事故。
从图8(d )、图8(e )中可以看出，当工作面开 挖240m 时，工作面进人上层采空区冒落卸压区，应 力急剧减小至8. 49M P a ，较受应力叠加影响时降低 45%，此时工作面已经越过上覆采空区应力影响区 范围，工作面来压趋于正常。当工作面开挖至300m 时，进人上覆采空区压实稳定区，工作面应力又逐 渐上升至12. O M P a ，并趋于平缓。
4
结论
1) 通过对孤岛工作面力学模型分析发现：孤岛
工作面过上覆采空区时，煤体同时承受采空区顶板 的回转应力和回采引起的集中应力。
2)
通过弹性薄板理论分析，认为孤岛工作面中
部所受弯矩最大，并且随着推进长度的增加，基本 顶所受弯矩值呈逐渐增大的趋势，即：在上覆基本 顶完全破断之前，工作面所受弯矩受推进长度影响， 推进长度越大，弯矩越大，顶板稳定性越差。
3)
通过数值模拟受力分析发现：工作面过上覆 采空区时，工作面受力呈不对称分布，按影响程度 可划分为应力影响区、冒落卸压区、压实稳定区， 其中43煤采空区外侧应力影响区范围为20m 。
4)
通过对比不同推进距离时，煤体及围岩受力
分析发现：孤岛工作面过上覆采空区过程中，工作 面应力峰值先由工作面中部转移至辅运巷侧，随着 工作面进入上覆采空区冒落卸压区范围内，应力峰 值由辅运巷侧向运输巷侧转移，并在随后的回采过 程中基本保持稳定。工作面推进至上覆采空区边缘
下方时，应力峰值达到最大，为15.45M P a 。
5)
通过全文分析，认为上覆采空区应力影响区人流量统计
范围内、冒落卸压区及压实稳定区范围内运输巷侧
工作面应力为较高区域，在采空区边缘达到最大， 应制定专项措施进一步加强顶板管理，同时也为后 续重点区域的顶板管控提供一定的理论参考。参考文献：
[1]
杨伟利，姜福兴，杨鹏.煤矿区域孤岛工作面极限采出率 研究[J ].煤矿安全，2015, 46(10): 36-39.
[2] 余学义，尚轩，张冬冬，等.孤岛工作面顶板矿压分布特 征研究[J ].中国煤炭，2017, 43(7): 62-65.
[3] 陈金宇，李文洲.孤岛工作面动压回采巷道水力切顶护巷技 术[J ].煤矿安全，2016 , 47(12): 129-132.
[4] 梁小龙.孤岛工作面覆岩结构破坏与矿压显现规律研究
[D ].邯郸：河北工程大学，2017.
[5] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M ]•徐 州：中国矿业大学出版社，2010.
[6]
石永生.基于瑞利波技术的孤岛工作面风巷底板破坏深度探 测[J ].煤矿安全，2016 , 47(7): 208-210 , 214.
[7] 何岗，何江，山长昊，等.大空间结构区采区煤柱冲击 地压机理与防控技术[J ].煤矿安全，2017, 48( 10):
47-50.
[8] 贾传洋.孤岛工作面应力分布规律及防冲技术研究[J ].中 国矿业，2018, 27(9): 145-149.
[9] 张维乐.半孤岛工作面支承压力分布规律研究[J ].内蒙古 煤炭经济，2019(13): 52-54.
[10]
张继东.孤岛工作面回采巷道围岩稳定性控制研究[J ].煤 矿现代化，2020(2): 138-141.
[11]
王志强，徐春虎，任亚军，等.孤岛工作面支承压力影响下 顶板破坏机理研究[J ].中国安全生产科学技术，2019, 15
(6)： 105-112.
[12]
任志强.孤岛工作面覆岩运动规律及矿压显现研究[J ].山 东煤炭科技，2017(2): 66-68.
[13]
姚博.孤岛综放面沿空窄煤柱合理宽度及其稳定性研究
[D ].太原：太原理工大学，2018.
[14] 张立明.综放孤岛工作面煤柱合理宽度研究[J ].煤炭工 程，2018, 50(5): 29-33.
[15] 刘正春，李伟利.孤岛工作面顶板破断的薄板模型分析
[J ].矿业安全与环保，2014 , 41(2): 104-106, 110.
(责任编辑张宝优）
112
