0 引 言
地壳岩层运动过程中褶皱构造各处的残余构造应力分布极不均匀，尤其在轴部区域应力集中十分明显，受构造应力影响显著，在工作面开采扰动影响下，容易造成煤和岩石中累积的能量瞬时释放，诱发冲击地压等地质灾害[1-7]。 褶皱构造区不均匀应力分布对煤岩体能量的突然释放有着重要的影响，对此众多学者做了不同角度的分析，并得到了大量的研究成果。 文献[8-10]通过对现场测量得到的地应力与向斜构造数值模拟所得到的结果进行对比分析，认为褶皱构造的存在对地应力场有着显著影响，向斜轴部的水平应力远高于垂直应力，同时也明显比翼部的水平应力大。 齐庆新等[11]认为褶皱构造在形成过程中受构造应力的影响十分显著，其完全形成后煤岩体内仍旧存在较高的残余构造应力；石强等[12]总结分析了大量赋存褶皱构造煤矿的应力场分布特点，认为向(背) 斜构造在形成过程中，煤岩体中积累了大量弹性能量，这是诱发煤岩体发生动力失稳的主要原因；周叶等[13]建立单层褶皱数值模型，讨论了单层褶皱变形的影响因素，认为褶皱在形成后，褶皱模型的最大主应力为压应力，并且主要分布在背斜和向斜轴部的内弧岩层；王胜本等[14]通过建立褶皱地质构造的数值模型，分析研究了褶皱构造附近煤岩体的位移和应力演化特征，认为背斜轴部上部岩层主要处于受拉状态，底部岩层主要处于受压状态；向斜轴部上部岩层主要处于受压状态，底部岩层主要处于受拉状态。 同时，通过对近年来褶皱构造下回采巷道发生的大量冲击地压事故[15-21]的总结，在工作面开采至向斜构造的轴部及其附近时，巷道围岩发生动力失稳、冲击破坏的次数最多；当工作面逐渐开采至褶皱翼部、背斜轴部及其附近时，冲击破坏发生的次数和强度均逐渐减小。笔者建立了褶皱构造赋存条件下的数值模型，设计了不同的工作面开采方案，分析了褶皱构造区域应力场的演化特征，研究了工作面开采过程中褶皱构造不同区域矿压显现规律，为褶皱构造条件下的工作面回采诱发围岩动力失稳的防治提供理论依据。
1 工程概况
义马煤田为单一向斜构造，大地构造属华北板内崤熊构造区北带西端，南以陕石-义马逆断层为界，东北以岸上平移断层和西北的扣门山断层、灰山断层等为界。 矿区内衍生有大量走向、倾向、斜交断层和褶曲等构造，煤层分叉合并现象严重，如图1所示。
图1 义马矿区地质构造
Fig.1 Geological map of Yima Mining Area
义马向斜大致走向为东西向，倾角为6°～25°，在复杂的地质构造运动中，义马向斜的部分区域发生严重的歪斜或直立，甚至出现倒逆情况，轴部区域存在较大的残余构造应力，是冲击地压的频发区域[22-24]。
地应力现场探测结果显示，千秋矿最大主应力为水平应力，其最大值为22.87 MPa，最小值为17.51 MPa。 义马煤田千秋矿21221 工作面埋深为758.5 m，2 煤煤层平均倾角 10°，平均厚度为11.5 m，21221 工作面直接顶主要由泥岩构成，厚度为18 m；基本顶主要由砾岩构成，厚度约为550 m；底板岩性复杂，由泥岩及砂岩组成，厚度为30 m，21221 工作面地质柱状如图2 所示。
图2 21221 工作面岩层综合柱状
Fig.2 Columnar section of rock strata of No.21221 mining face
2 褶皱构造数值模型的建立
2.1 数值模型概况
以千秋矿21221 工作面为工程地质背景，采用FLAC3D建立褶皱构造赋存条件下的数值模型，设计不同的工作面开采方案，分析褶皱构造区域应力场的演化特征。 模型长540 m，宽100 m，高200 m，共计351 000 个网格，370 326 个网格节点，褶皱长宽比为 6 ∶1，如图 3 所示。
图3 褶皱构造数值模型
Fig.3 Numerical model of fold structure
为了更真实地还原褶皱构造区域原岩应力场的演化过程，模型施加边界条件分2 个阶段进行:第1阶段施加自重应力场，即固定模型的底面垂直位移和水平位移，模型上边界施加竖直向下荷载20 MPa(模拟埋深800 m)，模型运算至平衡状态；第2 阶段施加构造应力场阶段，即解除模型X 方向的水平位移约束，并施加一个原岩应力边界条件，如图4b 所示，模型运算至平衡状态。
图4 模型边界条件
Fig.4 Model boundary condition
模拟采用Mohr-Coulomb 准则作为材料的破坏准则，数值模拟中煤层和各岩层物理力学参数，详见表1。
表1 数值模拟岩体物理力学参数
Table 1 Rock mass mechanical parameters of numerical model
岩性 密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa巨厚砾岩 2 730 13.3 10.8 5.1 34 3.2泥岩 2 360 10.4 7.3 3.9 30 2.1煤层 1 440 1.6 1.4 2.4 26 0.2粉砂岩 2 560 12.1 9.2 4.7 32 2.8
2.2 模拟方案的确定
通过FLAC3D数值模拟，拟揭示褶皱构造原岩应力场的空间分布特征以及研究工作面开采过程中褶皱构造不同区域矿压显现规律，为此，将采用以下模拟方案:①建立数值分析模型，在自重应力和构造应力作用计算至平衡状态，得到并分析褶皱构造原岩应力场的空间分布特征。 ②工作面沿Y 方向布置，沿X 方向开采，通过分析工作面处于褶皱构造不同位置，即工作面过向斜轴部、工作面过背斜轴部、自向斜轴部仰采、自背斜轴部俯采，研究工作面顶板应力、超前支承压力集中程度和峰值大小的变化情况，拟为褶皱构造条件下的工作面回采诱发围岩动力失稳的防治提供理论依据。
2.3 褶皱构造原岩应力场分布规律
褶皱构造的孕育、发展到最终形成，从根本上来说是因为处于非稳定状态下的构造应力场随时间和空间的推移不断演化的过程。 在自重应力和水平构造应力的作用下，通过数值模拟计算分析，模型垂直方向应力和水平方向应力呈现出不同的状态。 总体上看，褶皱构造的原岩应力场的分布具有明显的空间分布区域性，垂直应力随着埋深的增加而增大，水平梯度明显，在褶皱轴部区域变化不明显；而在水平构造应力的作用下，模型水平方向应力在背斜和向斜轴部垂直方向上表现出了明显不同的分区性，模型在向斜轴部处出现了应力激增，而在背斜轴部有一定的应力释放。
3 工作面过褶皱轴部应力场分布规律
3.1 过向斜和背斜轴部应力场演化特征
数值模拟工作面从左向右沿煤层走向逐步回采至向斜轴部，如图5a 所示；同时也模拟工作面从右向左沿煤层走向逐步回采至背斜轴部，如图5b 所示。 工作面每次推进10 m，共推进150 m，在向斜和背斜直接顶内每隔30 m 布置1 个监测点(图5)。
工作面回采 20、60、100、140 m 时，过向斜和背斜轴部构造垂直应力和水平应力演化如图6—图9所示。 随着工作面的推进过向斜和背斜轴部，水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板形成了椭圆形卸压区，且垂直应力卸压区大致沿向斜或背斜构造的法向方向逐步扩大。 垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中，最大垂直应力约为30 MPa，且随着工作面的推进，应力集中区远离轴部扩大，过背斜轴部时应力集中区范围明显要小于工作面过向斜轴部时所形成的应力集中区范围；水平应力在工作面垂直方向上、下较远处区域出现了一定范围的应力集中，最大水平应力约为28.5 MPa，且随着工作面的推进，应力集中区的范围开始向垂直方向两端发育；随着工作面的持续推进，水平应力在卸压区内顶板应力的释放程度要明显高于底板。 当工作面过褶皱轴部时，直接顶受压状态的应力集中程度逐渐减小。
图5 工作面过褶皱轴部监测点布置
Fig.5 Layout of monitoring points when mining face passes through fold axis
图6 工作面回采20 m 轴部应力演化
Fig.6 Stress evolution diagram when mining face passes 20 m through fold axis
随着工作面的逐步推进过向斜和背斜轴部，各测点垂直应力均呈现出先增大后减小趋势(图10)。
当工作面推进至测点前方时，各测点垂直应力由于应力集中逐渐增大；当工作面推进过测点下方煤层时，各测点垂直应力由于顶板卸压应力释放，其垂直应力逐渐减小为0，此后随着工作面的推进各测点垂直应力保持不变。
随着工作面逐步推进过向斜和背斜轴部，各测点水平应力总体呈现出减小的趋势，如图11所示。
图7 工作面回采60 m 轴部应力演化
Fig.7 Stress evolution diagram when mining face passes 60 m through fold axis
图8 工作面回采100 m 轴部应力演化
Fig.8 Stress evolution diagram when mining face passes 100 m through fold axis
图9 工作面回采140 m 轴部应力演化
Fig.9 Stress evolution diagram when mining face passes 140 m through fold axis
在工作面推进约100 m 时，各测点水平应力出现剧烈降低。 工作面过向斜轴部后，所有测点最终均处于受拉状态，其中位于向斜轴部的3 号测点所受拉力最大，约为5 MPa。 而工作面过背斜轴部后，最终只有位于背斜轴部的3 号测点处于受拉状态，所受拉力也仅为1 MPa 左右，其余4 个测点则均处于受压状态。
图10 直接顶各监测点垂直应力变化
Fig.10 Vertical stress of monitoring points in immediate roof
图11 直接顶各监测点水平应力变化
Fig.11 Horizontal stress of monitoring points in immediate roof
3.2 工作面过褶皱轴部超前支承压力特征分析
研究工作面超前支承压力的分布特征，对矿井的安全开采及防治冲击地压具有非常重要意义。 这里为了消除量纲影响，用应力集中系数表示支承压力大小。 过褶皱构造不同部位工作面支承压力见表2 和表3。
表2 过向斜轴部工作面支承压力特征参数
Table 2 Characteristic parameters of abutment pressure when advancing to synclinal axis
回采距离/m初始应力/MPa应力峰值/MPa应力集中系数峰值至煤壁距离/m 20 17.4 27.8 1.60 9.1 40 17.5 28.3 1.62 11.2 60 17.6 28.9 1.64 11.3 80 17.8 29.8 1.67 12.8 100 17.5 29.4 1.68 13.5 120 17.3 28.9 1.67 13.9 140 17.2 28.4 1.65 14.5
表3 过背斜轴部工作面支承压力特征参数
Table 3 Characteristic parameters of abutment pressure when advancing to anticlinal axis
回采距离/m初始应力/MPa应力峰值/MPa应力集中系数峰值至煤壁距离/m 20 17.4 25.4 1.46 10.3 40 17.0 26.3 1.58 11.2 60 16.8 26.8 1.60 12.3 80 16.5 27.1 1.64 13.3 100 16.7 27.4 1.64 13.8 120 17.0 28.3 1.66 14.7 140 17.5 27.8 1.59 16.7
由表2 和表3 可知，随着工作面的推进距离不断增大，工作面前方煤层内支承压力的峰值距煤壁距离逐渐增大，应力集中系数则呈现出先增大后先减小的趋势，这是由于煤岩体在未受开采扰动影响之前，应力处于平衡状态，当进行工作面开采时，将会打破巷道周围煤岩体的平衡状态，采空区上覆岩层重量将向采空区周围支点转移，在工作面前方煤层中出现应力集中区，造成能量聚集，当该区域能量聚集到一定程度，超过煤岩体的强度极限时，就会产生破坏，从而诱发冲击地压。 工作面过向斜轴部阶段时相较于过背斜轴部阶段，工作面前方煤层应力集中系数更大，即应力集中程度更大，更易发生冲击地压等动力灾害。
4 工作面过褶皱翼部应力场分布规律
4.1 向斜仰采、背斜俯采阶段应力场变化规律
数值模拟工作面从左向右沿煤层走向自向斜轴部逐步仰采；同时也模拟工作面从右向左沿煤层走向自背斜轴部逐步俯采(图12)。 工作面每次推进10 m，共推进150 m，在向斜和背斜直接顶内每隔30 m布置1 个监测点，如图12 所示。
图12 模型监测点布置
Fig.12 Model monitoring points layout
工作面回采 20、60、100、140 m 时，工作面过褶皱翼部垂直应力和水平应力演化如图13—图16所示。
随着工作面的推进过向斜和背斜翼部，水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板形成了椭圆形卸压区，且垂直应力卸压区大致沿向斜或背斜构造翼部法向方向逐步扩大。 垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中，最大垂直应力约为27 MPa，且随着工作面的推进，应力集中区远离轴部扩大，范围变化相对较小；水平应力在工作面垂直方向上、下较远处区域出现了一定范围的应力集中，最大水平应力约为31.5 MPa，且随着工作面的推进，应力集中区的范围开始向垂直方向两端发育并逐渐消失；随着工作面的持续推进，在卸压区内顶板水平应力的释放程度要明显高于底板。
图13 工作面回采20 m 翼部应力
Fig.13 Stress evolution diagram when mining face passes 20 m through fold wing
图14 工作面回采60 m 翼部应力
Fig.14 Stress evolution diagram when mining face passes 60 m through fold wing
图15 工作面回采100 m 翼部应力
Fig.15 Stress evolution diagram when the mining face passes 100 m through fold wing
图16 工作面回采140 m 翼部应力
Fig.16 Stress evolution diagram when mining face passes 140 m through fold wing
随着工作面推进过褶皱翼部，各测点垂直应力均呈现先增大后减小趋势(图17)，当工作面推进至测点前方约10 m 时，各测点垂直应力开始急剧减小，最后当工作面推进过测点下方煤层时，应力得到完全释放，垂直应力减小为0，此后随着工作面的推进垂直应力保持不变。
随着工作面回采过褶皱翼部，各测点水平应力总体呈现出减小的趋势(图18)，并在工作面经过测点下方煤层时处于平稳状态。 随着工作面沿背斜翼部俯采推进，各测点水平应力最后逐渐减小到0；当工作面沿向斜翼部仰采推进至120 m 时，各测点水平应力再次出现减小的现象，最后直接顶逐渐处于受拉状态，各测点所受拉力几乎相同，约为1.5 MPa。
4.2 不同推进方向超前支承压力特征分析
不同推进方向时工作面超前支承压力特征参数随开采距离的变化关系见表4、表5。
表4 向斜仰采阶段工作面支承压力特征参数
Table 4 Characteristic parameters of abutment pressure at oblique mining stage
回采距离/m初始应力/MPa应力峰值/MPa应力集中系数峰值距煤壁距离/m 20 18.4 24.3 1.32 3.3 40 18.3 24.5 1.34 3.9 60 18.2 24.9 1.37 4.6 80 18.1 25.1 1.39 5.8 100 17.9 25.9 1.45 7.6 120 17.7 26.1 1.47 11.3 140 17.5 25.2 1.44 18.7
图17 直接顶垂直应力变化曲线
Fig.17 Vertical stress of monitoring points in immediate roof
图18 直接顶各监测点水平应力变化曲线
Fig.18 Horizontal stress of monitoring points in immediate roof
从以上前方煤岩体支承压力特征参数随开采距离的变化关系可以看出，随着工作面的推进距离不断增大，工作面前方煤层内支承压力的峰值距煤壁距离逐渐增大，应力集中系数则呈现出先增大后减小的趋势；工作面自背斜轴部俯采时相较于自向斜轴部仰采时，工作面前方煤层应力集中系数较大，应力集中程度更大。
表5 背斜俯采阶段工作面支承压力特征参数
Table 5 Characteristic parameters of abutment pressure at anticline mining stage
回采距离/m初始应力/MPa应力峰值/MPa应力集中系数峰值距煤壁距离/m 20 17.4 23.6 1.36 3.6 40 17.7 24.0 1.36 4.3 60 17.9 24.8 1.39 5.4 80 18.1 25.1 1.39 6.4 100 18.2 25.5 1.40 8.2 120 18.3 25.8 1.41 11.6 140 18.5 25.1 1.36 16.4
5 结 论
1)褶皱构造的原岩应力场的分布具有明显的空间分布区域性，垂直应力随着埋深增加而增大，水平梯度明显；水平应力在向斜轴部处出现了应力急剧增加，而背斜轴部有程度不同的应力释放。
2)随着工作面的推进过向斜和背斜，水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板均形成了椭圆形卸压区，垂直应力卸压区沿褶皱向斜或背斜法线方向逐渐扩大，垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中，应力集中区远离轴部扩大。
3)随着工作面推进过向斜和背斜，水平应力在工作面垂直方向上、下较远处区域出现了应力集中，应力集中区逐步向顶板和底板远处发育，在卸压区内顶板水平应力的释放程度要明显高于底板。 当工作面过褶皱轴部时，直接顶受压状态的应力集中程度逐渐减小。
4)工作面超前支承压力的峰值随开采距离的增加而增大，应力集中系数则先增大后先减小。 工作面自背斜轴部俯采时工作面前方支承压力较大，自向斜轴部仰采时则较小，褶皱轴部出现应力集中和能量激增的现象，极易诱发冲击地压。
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