鄭建偉,鞠文君,趙 曦,吳建星,任 碩,趙朋朋,王 帥

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.晉能集團(tuán)長(zhǎng)治有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000; 4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710054; 5.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

井工回收煤炭資源過(guò)程中采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性控制對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要，人為開挖形成的回采工作面及巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力的變化是引起采場(chǎng)圍巖發(fā)生顯著變形以及失穩(wěn)的主要因素之一[1-2]。地下巖體在未遭受人為影響的情況下處于受力平衡狀態(tài)，開掘巷道等人為工程的開展，破壞了圍巖內(nèi)部的應(yīng)力平衡，會(huì)引起應(yīng)力的重新分布。壓力拱、砌體梁和傳遞巖梁等理論模型[3-11]的建立從力學(xué)和結(jié)構(gòu)的角度(空間尺度)分析大范圍內(nèi)覆巖結(jié)構(gòu)的演化特征;實(shí)驗(yàn)室不同尺度物理相似模擬[12-15]和數(shù)值模擬[16-19]盡可能真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)更直觀的分析覆巖運(yùn)移過(guò)程中圍巖內(nèi)部的應(yīng)力分布;收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的[20-22]超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力的數(shù)據(jù)主要是針對(duì)特定區(qū)域特定時(shí)間內(nèi)開展的單項(xiàng)研究。針對(duì)于從采場(chǎng)形成到停采的采場(chǎng)全生命周期范圍(時(shí)間尺度)內(nèi)采場(chǎng)覆巖的空間結(jié)構(gòu)(空間尺度)的演變和對(duì)應(yīng)的力學(xué)分析尚缺乏深入研究。

基于此，筆者借助材料力學(xué)建立了采場(chǎng)全生命周期內(nèi)覆巖的結(jié)構(gòu)模型，分析了采場(chǎng)全生命周期范圍內(nèi)覆巖空間結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間條件下的動(dòng)態(tài)演變特征，且給出了對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型解。最終對(duì)比分析采場(chǎng)應(yīng)力中超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力的演化特征，對(duì)采場(chǎng)全生命周期進(jìn)行劃區(qū)，可以對(duì)回采過(guò)程中的高位應(yīng)力區(qū)進(jìn)行初判，確定相應(yīng)的潛在危險(xiǎn)區(qū)域，為采場(chǎng)的合理支護(hù)和安全生產(chǎn)提供保障。

1 采場(chǎng)全生命周期時(shí)空邊界

井工回收煤炭資源過(guò)程中，回采工作面空間位置的變化會(huì)改變上覆巖層的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，上覆巖層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡及失穩(wěn)又會(huì)影響采場(chǎng)圍巖煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布[23]。隨著回采工作面的推進(jìn)，由彈性力學(xué)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知:受應(yīng)力重新分布影響，回采工作面前方待采煤體中會(huì)形成一定范圍的應(yīng)力異常即超前支承應(yīng)力范圍，該范圍內(nèi)煤體內(nèi)部的垂直載荷稱之為超前支承應(yīng)力，回采工作面則處于應(yīng)力相對(duì)降低區(qū)，該處頂板應(yīng)力的顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在液壓支架工作阻力的變化，在此我們將工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力統(tǒng)稱為采場(chǎng)應(yīng)力，且采場(chǎng)應(yīng)力的演化決定了回采巷道圍巖的支護(hù)方式及液壓支架參數(shù)的選擇。

在本論文中我們將回采工作面的開切眼到停采的全部過(guò)程稱之為采場(chǎng)的全生命周期過(guò)程，切眼的貫通意味著回采工作面通風(fēng)系統(tǒng)的完成，可以認(rèn)為是回采工作面的起點(diǎn)，同時(shí)也標(biāo)志著采場(chǎng)的正式形成。回采工作面沿著走向方向的推進(jìn)依次經(jīng)歷直接頂初次垮落、基本頂初次來(lái)壓、周期來(lái)壓以及停采。因此通過(guò)對(duì)采場(chǎng)在不同時(shí)間和空間位置參量下覆巖結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行分析，可以確定采場(chǎng)從生成(開切眼)、常規(guī)推進(jìn)(頂板來(lái)壓)和終止(停采)的全生命周期過(guò)程中不同階段的采場(chǎng)應(yīng)力的形成機(jī)理及演化規(guī)律。采場(chǎng)的生成(開切眼)、常規(guī)推進(jìn)(頂板來(lái)壓)和終止(停采)對(duì)應(yīng)的空間劃分如圖1所示。

圖1 采場(chǎng)全生命周期空間劃分Fig.1 Space division about generation,regular advancing, stopping of stope

2 采場(chǎng)全生命周期覆巖力學(xué)分析

2.1 開切眼區(qū)覆巖力學(xué)分析

開切眼的主要作用是回采及掘進(jìn)設(shè)備的安裝以及形成完整的通風(fēng)回路以供后續(xù)煤炭資源的回收，切眼的貫通標(biāo)志著采場(chǎng)的全生命周期的起點(diǎn)。開切眼掘進(jìn)前，掘進(jìn)期圍巖煤巖體受地應(yīng)力場(chǎng)作用而處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，開切眼工程的掘進(jìn)改變了圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布。開切眼形成的采煤等機(jī)械設(shè)備安裝空間內(nèi)，表面圍巖處于臨空狀態(tài)(側(cè)向應(yīng)力為0)，即一定深度范圍內(nèi)圍巖煤巖體三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閱屋S壓縮狀態(tài)，超過(guò)一定深度又恢復(fù)到三向應(yīng)力平衡的應(yīng)力狀態(tài)。常規(guī)開切眼過(guò)程中由于開掘的空間相對(duì)較小，且開切眼過(guò)程中上覆頂板圍巖尚未造成結(jié)構(gòu)性破壞，基本保持原地質(zhì)賦存狀態(tài)。開切眼導(dǎo)致的回采工作面煤壁側(cè)及煤柱側(cè)超前應(yīng)力分布概化曲線如圖2所示。

圖2 開切眼區(qū)超前支承應(yīng)力分布特征Fig.2 General characteristic of abutment pressure of open- off cut zone

如圖2所示，待回采煤壁側(cè)因應(yīng)力重新分布而形成一定范圍的超前支承應(yīng)力(σ)，其主要由兩部分組成，一部分為煤壁側(cè)上覆巖層自重導(dǎo)致的垂直應(yīng)力(σo)，一部分為開切眼空間上部巖層自重與液壓支架支撐力的合力傳遞至煤壁的應(yīng)力增量(Δσ)。綜合考慮常規(guī)開切眼寬度(沿走向方向)較小，所以忽略因開切眼導(dǎo)致的上覆巖層的移動(dòng)、離層等活動(dòng)造成的影響。

σ=σo+Δσ

(1)

σo=γh

(2)

G=γhL

(3)

(4)

式中，σ為煤壁側(cè)支承應(yīng)力，MPa;σo為垂直應(yīng)力，MPa;G為上覆巖層的自重，N;γ為上覆巖層的平均容重，N/m3;h為上覆巖層的厚度，m;L為開采空間沿走向方向的長(zhǎng)度(在開切眼期間代表開切眼的寬度)，m;l為超前支承應(yīng)力的范圍，m;Ph為回采工作面液壓支架提供的支撐力，N。

聯(lián)立式(1)～(4)可知:開切眼區(qū)域煤壁側(cè)支承應(yīng)力分布與開切眼空間形態(tài)、圍巖參數(shù)和埋深呈正相關(guān)，與液壓支架施加的支撐力呈負(fù)相關(guān)，且該區(qū)域內(nèi)不進(jìn)行回采作業(yè)，因此該階段內(nèi)煤壁側(cè)的超前支承應(yīng)力屬于靜載荷;該階段內(nèi)工作面內(nèi)頂板對(duì)液壓支架的作用也相對(duì)較弱，整體處于平穩(wěn)階段，在液壓支架初撐工況條件下有較小的應(yīng)力升高現(xiàn)象，但并不明顯，在恒阻工況條件下，液壓支架的工作阻力也隨著頂板的微小變形而增加，代表著工作面頂板應(yīng)力發(fā)生較小增加;綜合以上超前支承應(yīng)力以及工作面頂板應(yīng)力在開切眼階段的演變可以認(rèn)為該階段內(nèi)采場(chǎng)應(yīng)力整體處于低位應(yīng)力狀態(tài)且不發(fā)生明顯波動(dòng)。

2.2 頂板來(lái)壓區(qū)覆巖力學(xué)分析

2.2.1直接頂初次垮落區(qū)覆巖力學(xué)分析

回采工作面設(shè)備安裝及調(diào)試結(jié)束后從開切眼開始沿走向方向向前推進(jìn)，直接頂懸頂面積在一定范圍內(nèi)則隨著回采工作面推進(jìn)距離的增大而增大，直接頂與基本頂巖層因?yàn)樽陨韼r性不同而具有不同的極限撓度，若此時(shí)液壓支架提供不了足夠的支撐力則會(huì)出現(xiàn)離層現(xiàn)象，當(dāng)直接頂巖層達(dá)到自身的極限撓度時(shí)直接頂發(fā)生垮落，此稱之為直接頂初次垮落[24]。此時(shí)煤壁側(cè)內(nèi)部的超前支承應(yīng)力主要由兩部分組成，一部分為煤壁側(cè)上覆巖層自重導(dǎo)致的垂直應(yīng)力(σo)，一部分為已采區(qū)直接頂上方至地表的巖重傳遞在煤壁側(cè)的應(yīng)力(Δσ)，如式(5)所示，其中k為結(jié)構(gòu)比，指開采導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)的垂向范圍占采場(chǎng)深度的比例。對(duì)該過(guò)程中煤壁側(cè)實(shí)體煤受力進(jìn)行簡(jiǎn)化，考慮極限情況，認(rèn)為直接頂自重(Gd)對(duì)于液壓支架的應(yīng)力與液壓支架對(duì)直接頂應(yīng)力(Ph)相等，如圖3所示。聯(lián)立式(4)和(5)，將Ph=Gd代入得出式(6):

Gd=khLγ

5)

(6)

在該階段回采工作面推進(jìn)過(guò)程中，L是穩(wěn)定增加的，開采導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)的范圍也是增加的，即結(jié)構(gòu)比k隨著L的增加而增大。對(duì)比式(4)與(6)可知在開切眼至直接頂初次垮落范圍內(nèi)，隨著開采的進(jìn)行，直接頂從原巖賦存穩(wěn)定狀態(tài)到初次垮落失穩(wěn)狀態(tài)的過(guò)程中，直接頂上覆巖層未形成鉸接結(jié)構(gòu)，工作面前方煤壁側(cè)支承應(yīng)力與工作面內(nèi)頂板應(yīng)力呈穩(wěn)定增加的趨勢(shì)，由于回采的空間范圍仍然相對(duì)較小，所以該階段內(nèi)采場(chǎng)的應(yīng)力增長(zhǎng)的幅度較小。

圖3 直接頂初次來(lái)壓超前支承應(yīng)力分布Fig.3 Abutment pressure distribution of first direct roof collapse

2.2.2基本頂來(lái)壓區(qū)覆巖力學(xué)分析

直接頂初次垮落之后，基本頂繼續(xù)保持大面積懸露，回采工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露達(dá)到初次斷裂的極限跨距時(shí)，基本頂斷裂形成三鉸拱式平衡，即巖塊ABC之間互相作用而保持平衡。當(dāng)巖塊ABC之間可以形成立體鉸合，隨著回采工作面的推進(jìn)，巖塊B可以發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成回轉(zhuǎn)失穩(wěn);當(dāng)巖塊A和C對(duì)巖塊B的作用力較小不足以維持巖塊B的平衡而直接滑落作用在支架上形成滑落失穩(wěn);基本頂巖塊的初次失穩(wěn)(回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn))并作用在采場(chǎng)液壓支架上稱之為基本頂初次來(lái)壓?；卷敵醮蝸?lái)壓之后，基本頂巖層形成的立體鉸接結(jié)構(gòu)隨著工作面的推進(jìn)而周期性失穩(wěn)來(lái)壓，此過(guò)程稱之為周期來(lái)壓[26]，因此在基本頂初次來(lái)壓時(shí)工作面液壓支架的工作阻力將達(dá)到自開切眼以來(lái)的最大值，也表示著工作面頂板應(yīng)力達(dá)到該階段內(nèi)的最大值，基本頂初次來(lái)壓覆巖結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。

圖4 基本頂初次來(lái)壓覆巖結(jié)構(gòu)變化Fig.4 Abutment pressure distribution of periodic weighting and structure of roof

在基本頂周期性失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中煤壁前方的超前支承應(yīng)力(σ)主要由3部分組成:第1部分為煤壁上覆巖層自重導(dǎo)致的垂直應(yīng)力(σo);第2部分為采場(chǎng)上部巖層形成的空間結(jié)構(gòu)外至地表的巖重傳遞至煤壁的應(yīng)力(σ1)，如式(7)所示;第3部分為已采區(qū)上覆巖層形成的鉸接結(jié)構(gòu)傳遞至煤壁的應(yīng)力(f(x))，如式(8)所示，該外部載荷主要與煤壁上部巖梁的懸露長(zhǎng)度(lh)、不同層位三鉸拱中間巖塊回轉(zhuǎn)的角度(θ)和不同層位巖梁形成的鉸接結(jié)構(gòu)對(duì)下部煤壁的傳力系數(shù)(η)有關(guān)的函數(shù)，依據(jù)懸臂梁理論以及鉸接巖塊假說(shuō)可知，隨著上覆巖層懸臂梁長(zhǎng)度的增加，f(x)值增大，三鉸拱中間鉸接巖塊的回轉(zhuǎn)角度(θ)的增加，f(x)值減小，且高位巖層結(jié)構(gòu)的傳力系數(shù)(η)小于下位巖層的傳力系數(shù)，開采導(dǎo)致的上覆巖層結(jié)構(gòu)受力模型如圖5所示。

σ1=(1-k)Lhγ

(7)

[lh1h1γ1+Φ1(lb1,h1,γ1,θ1)]+η2×

[lh2h2γ2+Φ2(lb2,h2,γ2,θ2)]+…+

ηi[lhihiγi+Φi(lbi,hi,γi,θi)]

(8)

其中，f1(x)，f2(x)，fn(x)分別為開采形成的第1層、第2層以及第n層(不同層位)結(jié)構(gòu)對(duì)前方煤壁的應(yīng)力，MPa;Φ1，Φ2，Φn為不同層位結(jié)構(gòu)中間巖塊對(duì)下部煤壁的應(yīng)力函數(shù);η1，η2，ηn為不同層位結(jié)構(gòu)的傳力系數(shù);γ1，γ2，γ3為不同層位巖層的容重，N/m3;h1，h2，h3為不同層位結(jié)構(gòu)內(nèi)巖塊的厚度，m;lh1，lh2，lhn為不同層位結(jié)構(gòu)內(nèi)懸臂巖塊的長(zhǎng)度，m;lb1,lb2,lbn為不同層位結(jié)構(gòu)內(nèi)中間巖塊的長(zhǎng)度，m;θ1,θ2,θn為不同層位結(jié)構(gòu)中間巖塊回轉(zhuǎn)角度，(°)。

圖5 開采導(dǎo)致的上覆巖層結(jié)構(gòu)受力模型Fig.5 Stress model of overlying structure induced by excavation

當(dāng)采動(dòng)影響未波及地表，即尚未達(dá)到充分采動(dòng)與非充分采動(dòng)交界點(diǎn)時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力如式(9)所示:

(9)

隨著工作面的推進(jìn)已采空間產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)的范圍逐步向上發(fā)展，且采動(dòng)未造成關(guān)鍵層巖層破斷時(shí)，煤壁上方多層巖層產(chǎn)生鉸接結(jié)構(gòu)，即采動(dòng)擾動(dòng)的空間增大(k增大)。當(dāng)采動(dòng)影響波及地表及覆巖關(guān)鍵層發(fā)生破斷后(充分采動(dòng))，即k=1，因此煤壁前方的超前支承應(yīng)力(σ)主要由兩部分組成:第1部分為煤壁上覆巖層的垂直應(yīng)力(σo);第2部分為采場(chǎng)上部巖層形成的空間結(jié)構(gòu)對(duì)煤壁施加的外部載荷(f(x))，如式(10)所示:

(10)

在單個(gè)周期來(lái)壓內(nèi)，周期來(lái)壓前煤壁上方巖層懸露長(zhǎng)度大于周期來(lái)壓后的懸露長(zhǎng)度，且鉸接結(jié)構(gòu)中間巖塊的回轉(zhuǎn)角度逐漸增大，因此周期來(lái)壓后采場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)的演化對(duì)煤壁施加的外部載荷是減小的;當(dāng)采動(dòng)達(dá)到非充分采動(dòng)與充分采動(dòng)交界點(diǎn)時(shí)，即k=1時(shí)，對(duì)比分析式(9)和(10)可知，回采工作面超前支承應(yīng)力的值達(dá)到回采工作面全生命周期過(guò)程中的極大值，回采工作面內(nèi)液壓支架的工作阻力也同時(shí)達(dá)到采場(chǎng)全生命周期過(guò)程中的極大值，此時(shí)頂板劇烈來(lái)壓極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害及其他衍生災(zāi)害。

當(dāng)采動(dòng)達(dá)到充分采動(dòng)之后，回采工作面繼續(xù)回采至終采線則完成了本采場(chǎng)煤炭資源的回收。終采線位置的確定對(duì)于收尾撤架空間圍巖的穩(wěn)定性有很大影響，主要可以分為2種情況:當(dāng)停采工作面位于周期來(lái)壓期間，若基本頂?shù)臄嗔丫€和直接頂?shù)钠茢嗑€相互貫通，則基本頂巖塊進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，工作面液壓支架的工作阻力增大，容易將支架壓死，且不利于設(shè)備回撤的進(jìn)行，但是永久煤柱超前支承應(yīng)力受到停采時(shí)間的增加而從相對(duì)較低的值逐漸增大;當(dāng)停采工作面位于周期來(lái)壓前方時(shí)，巖塊B在回轉(zhuǎn)時(shí)液壓支架的工作阻力相對(duì)較小，有利于采場(chǎng)的穩(wěn)定性，保證設(shè)備回撤的安全進(jìn)行，但是永久煤柱側(cè)超前支承應(yīng)力受到停采時(shí)間的增加從相對(duì)較高的值而增加，不利于巷道的維護(hù)，需要對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證巷道在設(shè)備回撤期間的安全性。

3 采場(chǎng)全生命周期數(shù)值模擬及工程借鑒

3.1 采場(chǎng)全生命周期數(shù)值模擬分析

本文借助UDEC軟件以某礦現(xiàn)回采工作面圍巖地質(zhì)條件為研究背景來(lái)揭示采場(chǎng)全生命周期內(nèi)覆巖結(jié)構(gòu)和超前支承應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化特征過(guò)程，模型高度設(shè)計(jì)為179.00 m，其中覆巖厚度為143.00 m，煤層厚度為6.15 m，底板厚度為29.85 m;模型寬度設(shè)計(jì)為200.00 m，其中兩側(cè)各留設(shè)40.00 m的邊界煤柱，回采距離設(shè)計(jì)為220.00 m，煤層頂板物理力學(xué)參數(shù)和接觸面力學(xué)參數(shù)見表1;模型左、右、下邊界采用固定位移，左、右邊界施加側(cè)向載荷模擬回采工作面真實(shí)地應(yīng)力環(huán)境，在距離煤層底板向下3.85 m(下部邊界向上26.00 m)位置，且距離左右邊界各30.00 m開始布置縱向載荷監(jiān)測(cè)測(cè)線(測(cè)線長(zhǎng)240.0 m)。

表1 頂板物理力學(xué)參數(shù)和接觸面力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the roof and the contact surface

圖6 采場(chǎng)全生命周期覆巖結(jié)構(gòu)及超前支承應(yīng)力演化Fig.6 Overlying structure deformation and advanced abutment pressure evolution on the whole life cycle of stope

如圖6(a)所示，開切眼形成后工作面繼續(xù)推進(jìn)，依次出現(xiàn)直接頂離層且發(fā)生初次垮落(超前支承應(yīng)力峰值為)、基本頂初次垮落導(dǎo)致的基本頂初次來(lái)壓、周期來(lái)壓、采動(dòng)裂隙貫通地表進(jìn)入充分采動(dòng)以及充分采動(dòng)范圍內(nèi)的周期來(lái)壓直到停采。在采場(chǎng)全生命周期過(guò)程中受采動(dòng)的影響而形成的覆巖結(jié)構(gòu)逐步向外發(fā)展，超前支承應(yīng)力也是動(dòng)態(tài)變化的，在開切眼至基本頂初次來(lái)壓階段超前支承應(yīng)力由平緩增長(zhǎng)到該階段的最大值，隨后到達(dá)充分采動(dòng)與非充分采動(dòng)的交界點(diǎn)階段超前支承應(yīng)力達(dá)到采場(chǎng)全生命周期內(nèi)的極大值，進(jìn)入充分采動(dòng)之后超前支承應(yīng)力又表現(xiàn)出明顯的周期性，如圖6(b)所示。

3.2 采場(chǎng)應(yīng)力演化特征規(guī)律及工程借鑒

采場(chǎng)應(yīng)力主要包含工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力2部分。在采場(chǎng)全生命周期過(guò)程中工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均隨著覆巖空間結(jié)構(gòu)的改變而變化，具有明顯的協(xié)調(diào)非同步演化特征和區(qū)域性特征?；诓蓤?chǎng)應(yīng)力的演化特征，將采場(chǎng)全生命周期分為發(fā)生期(Ⅰ)、發(fā)育期(Ⅱ)和穩(wěn)定期(Ⅲ)3個(gè)階段。發(fā)生期(Ⅰ)對(duì)應(yīng)開采過(guò)程中的開切眼、直接頂初次垮落和基本頂初次來(lái)壓3個(gè)階段，該期間工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均保持穩(wěn)定的緩慢增長(zhǎng)，其中工作面頂板應(yīng)力在回采接近基本頂初次來(lái)壓時(shí)增長(zhǎng)幅度和增速較大于工作面超前支承應(yīng)力的增幅和增速，主要是上覆形成的鉸接結(jié)構(gòu)的首次失穩(wěn)造成的。發(fā)育期(Ⅱ)對(duì)應(yīng)開采過(guò)程中的周期來(lái)壓直至充分采動(dòng)和非充分采動(dòng)交界點(diǎn)階段(采動(dòng)裂隙貫通地表)，該期間工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均保持不同的增長(zhǎng)速率;且在單個(gè)周期來(lái)壓內(nèi)，周期來(lái)壓前工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均大于來(lái)壓后的超前支承應(yīng)力值和工作面頂板應(yīng)力值，但是二者并非同步達(dá)到各自的峰值，原因是當(dāng)工作面超前支承應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)頂板發(fā)生斷裂，垮落結(jié)構(gòu)塊體的動(dòng)載效應(yīng)是工作面頂板應(yīng)力的一部分;當(dāng)工作面回采至非充分采動(dòng)和充分采動(dòng)的交界點(diǎn)時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力先后達(dá)到采場(chǎng)全生命周期過(guò)程中的極大值。穩(wěn)定期(Ⅲ)對(duì)應(yīng)的是充分采動(dòng)和終采兩個(gè)回采階段，該期間工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力又保持著較為穩(wěn)定的波動(dòng)，周期來(lái)壓前工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均大于來(lái)壓后的超前支承應(yīng)力值和工作面頂板應(yīng)力值。采場(chǎng)應(yīng)力(工作面超前支承應(yīng)力和液壓支架工作阻力)演化特征曲線如圖7所示。

圖7 采場(chǎng)全生命周期超前支承應(yīng)力演化特征曲線Fig.7 Advanced abutment pressure evolution curve on the whole life cycle of stope

通過(guò)對(duì)采場(chǎng)全生命周期應(yīng)力演化規(guī)律的分析及其相應(yīng)階段的確定，可以為回采巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)判提供可靠的理論基礎(chǔ)。針對(duì)不同的階段提供相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，有利于回采巷道圍巖的穩(wěn)定性控制且做到區(qū)域化精細(xì)支護(hù)設(shè)計(jì)(不同區(qū)域采用不同的支護(hù)形式、支護(hù)強(qiáng)度)，從而在保障回采期間回采巷道安全的基礎(chǔ)上達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果，如在開切眼后回采工作面初步回采過(guò)程中，超前支護(hù)范圍和強(qiáng)度可以適當(dāng)降低;借助采場(chǎng)應(yīng)力演化規(guī)律對(duì)不同回采階段的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，提前確定高應(yīng)力區(qū)以便及時(shí)給予相應(yīng)的卸壓或者加固措施，防止由于臨時(shí)支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的動(dòng)力災(zāi)害及其衍生災(zāi)害;工作面頂板應(yīng)力會(huì)滯后于超前支承應(yīng)力而顯現(xiàn)，在對(duì)工作面液壓支架進(jìn)行工作阻力分析時(shí)，需要在液壓直接工作阻力達(dá)到最大值前就對(duì)工作面前方超前支承應(yīng)力段煤體采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。由上述分析可知尤其在非充分采動(dòng)與充分采動(dòng)的交界點(diǎn)前期，需要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)巷道斷面收斂及煤壁內(nèi)部應(yīng)力的變化，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上結(jié)合相鄰工作面的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)圍巖煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力水平進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，從而對(duì)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)判，及早采取卸壓措施，降低煤壁內(nèi)部應(yīng)力集中程度，防止此類災(zāi)害的發(fā)生;在設(shè)置終采線的時(shí)候，需要綜合考慮周期來(lái)壓和停采工作面的位置，盡量將停采工作面布置在周期來(lái)壓后，有利于設(shè)備的回撤，增強(qiáng)回采巷道臨時(shí)支護(hù)的強(qiáng)度。

對(duì)于采場(chǎng)應(yīng)力演化特征本文做了理論和數(shù)值模擬方面的分析，后續(xù)需借助相關(guān)的物理模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，一方面對(duì)理論研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，一方面可以具體分析得到的應(yīng)力演化數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步明確全生命周期劃分的數(shù)理依據(jù)，最終結(jié)合上述分析結(jié)果，深入挖掘物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)，起到具有針對(duì)性的指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)的作用。

4 結(jié) 論

(1)采場(chǎng)全生命周期(回采工作面開切眼到停采)過(guò)程中工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均隨著覆巖空間結(jié)構(gòu)的改變而變化，具有明顯的協(xié)調(diào)非同步演化特征和區(qū)域性特征，認(rèn)為周期來(lái)壓內(nèi)超前支承應(yīng)力峰值會(huì)在空間和時(shí)間上超前于工作面頂板應(yīng)力峰值出現(xiàn)，且二者均表現(xiàn)出周期來(lái)壓前大于來(lái)壓后的規(guī)律。

(2)依據(jù)采場(chǎng)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)演化特征，將采場(chǎng)全生命周期分為發(fā)生期(Ⅰ)、發(fā)育期(Ⅱ)和穩(wěn)定期(Ⅲ)3個(gè)階段，發(fā)生期(Ⅰ)對(duì)應(yīng)開采過(guò)程中的開切眼、直接頂初次垮落和基本頂初次來(lái)壓3個(gè)階段;發(fā)育期(Ⅱ)對(duì)應(yīng)開采過(guò)程中的周期來(lái)壓直至采動(dòng)裂隙貫通地表階段;穩(wěn)定期(Ⅲ)對(duì)應(yīng)的是充分采動(dòng)和停采兩個(gè)回采階段。

(3)發(fā)生期(Ⅰ)內(nèi)工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均保持穩(wěn)定的緩慢增長(zhǎng)，其中工作面頂板應(yīng)力在回采接近基本頂初次來(lái)壓時(shí)增長(zhǎng)幅度和增速大于工作面超前支承應(yīng)力的增幅和增速;發(fā)育期(Ⅱ)內(nèi)回采工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力均保持不同速率的增長(zhǎng)，且當(dāng)工作面回采至非充分采動(dòng)和充分采動(dòng)的交界點(diǎn)時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力先后達(dá)到采場(chǎng)全生命周期過(guò)程中的極大值;穩(wěn)定期(Ⅲ)內(nèi)工作面超前支承應(yīng)力和工作面頂板應(yīng)力表現(xiàn)出穩(wěn)定的波動(dòng)。

(4)采場(chǎng)全生命周期內(nèi)應(yīng)力演化分析及劃區(qū)，可以為回采巷道的區(qū)域化精細(xì)設(shè)計(jì)和危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)判提供可靠的理論基礎(chǔ)，以便提前采取相應(yīng)的預(yù)防或者加固措施，保障采場(chǎng)的安全。