0 引言
煤矿生产过程中巷道开挖、煤层开采等会破坏原岩应力状态，引起煤岩体应力重新分布，形成新的采动应力场。在煤层前方形成新的支承压力分布区，该区域内会出现应力集中，当集中应力超过煤岩体强度时会出现塑性区与破坏区,可能引发巷道冒顶、煤层压架、冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害[1-4]。覆岩采动应力在空间分布上有一定范围,随开采活动的进行与时间的推移不断变化。只有充分了解覆岩采动应力分布特征与演化规律[5-7]，才能对围岩稳定性、变形与破坏进行有效分析，进而提出合理的冒顶、冲击地压等灾害防治措施。
钱鸣高等[8]提出由于煤系地层的分层特性差异，各岩层在岩体活动中的作用不同:较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；较为软弱的薄岩层在活动中只起加载作用，自重大部分由坚硬的厚岩层承担。其将在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关键层，并提出采动岩体中的关键层理论是解开岩体运动全过程的一种科学方法和途径。部分学者研究了关键层结构对覆岩采动应力分布规律的影响，基于岩层控制关键层理论，通过相似材料模拟实验及UDEC，FLAC数值模拟计算[9-13]，对岩层移动模拟研究中的加载问题进行了探讨，并研究了关键层对覆岩及地表移动的控制作用和关键层破断块度对其位移曲线形态的影响[14-15]。但现有研究大多基于工作面上覆岩层结构的均化处理而展开，未充分考虑其内在结构对覆岩采动应力分布特征的影响。本文在现有研究基础上，采用UDEC数值模拟方法，通过改变关键层位置及厚度，分析典型关键层结构下采动应力分布规律。为了简化研究，本文仅考虑上覆岩层只存在1层关键层的情况。
1 煤层开采数值模拟模型
为了对覆岩采动应力分布进行定量分析，建立煤层开采数值模拟模型，如图1所示。模型高200 m，煤层上覆岩层中只有1层坚硬岩层(即关键层)，各岩层力学特性参数见表1。关键层通常具有单层较厚的几何特性，因此在数值模拟中不对关键层进行划块处理。另外关键层还具有弹性模量较大、强度较高等岩性特性。模型左右边界水平方向固定，底边界垂直方向固定，顶界面不施加额外载荷。
图1 煤层开采数值模拟模型
Fig.1 Numerical simulation model of coal-seam mining
表1 煤层开采数值模拟模型中各岩层力学特性参数
Table 1 Mechanical properties parameters of each rock-seam in numerical simulation model of coal-seam mining
2 数值模拟结果及分析
2.1 关键层位置不同时覆岩采动应力分布
设置煤层厚度为3 m，关键层厚度为20 m，关键层与煤层间距分别为18，24，30，36，45 m。在模型关键层、关键层上方软岩层、关键层下方软岩层中布置多条应力测线，煤层经过充分开采后，关键层位置不同时超前支承压力峰值曲线如图2所示，部分覆岩采动应力分布云图如图3所示。
从图2可看出，在采深及关键层结构不变的条件下，随着关键层与煤层间距增大，工作面超前支承压力峰值逐渐减小，关键层下方软岩层超前支承压力峰值先减小后趋于稳定，关键层上方软岩层超前支承压力峰值先增大后趋于稳定。图3中虚线框内为应力集中区域，可看出当关键层与煤层间距增大时，应力集中区域范围相应减小。
(a) 工作面
(b) 关键层下方软岩层
(c) 关键层上方软岩层
图2 关键层位置不同时超前支承压力峰值曲线
Fig.2 Peak value curves of advance abutment pressure under different key strata locations
(a) 关键层距煤层18 m
(b) 关键层距煤层45 m
图3 关键层位置不同时覆岩采动应力分布云图
Fig.3 Mining stress distribution nephogram of overburden under different key strata locations
2.2 关键层厚度不同时覆岩采动应力分布
保持煤层开采数值模拟模型中关键层以下煤岩层结构不变，煤层厚度为3 m，关键层与煤层间距为15 m，关键层厚度分别为12，18，24，30 m。在关键层、关键层上方软岩层、关键层下方软岩层中布置多条应力测线，煤层经过充分开采后，关键层厚度不同时超前支承压力峰值曲线如图4所示，部分覆岩采动应力分布云图如图5所示。
从图4可看出，在上覆岩层原岩应力场不变的条件下，随着关键层厚度增大，工作面超前支承压力峰值逐渐增大，但关键层厚度达到24 m(8倍采高)时出现增长拐点，之后趋于稳定；上覆岩层超前支承压力峰值均逐渐增大。从图5可看出，当关键层厚度增大时，应力集中区域范围相应增大，但影响高度停留在关键层及其下方岩层。
3 结论
(1) 通过改变关键层位置、厚度，对典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律进行了数值模拟研究。结果表明：随着关键层与煤层间距增大，工作面超前支承压力峰值逐渐减小，关键层下方软岩层超前支承压力峰值先减小后趋于稳定，关键层上方软岩层超前支承压力峰值先增大后趋于稳定，应力集中区域范围减小；随着关键层厚度增大，工作面超前支承压力峰值先增大后趋于稳定，上覆岩层超前支承压力峰值逐渐增大，应力集中区域范围增大。
(a) 工作面
(b) 关键层下方软岩层
(c) 关键层上方软岩层
图4 关键层厚度不同时超前支承压力峰值曲线
Fig.4 Peak value curves of advance abutment pressure under different key strata thickness
(a) 关键层厚度为12 m
(b) 关键层厚度为30 m
图5 关键层厚度不同时覆岩采动应力分布云图
Fig.5 Mining stress distribution nephogram of overburden under different key strata thickness
(2) 本文只考虑了单一关键层的情况，实际生产中上覆岩层可能存在多个关键层，此时关键层结构对覆岩采动应力分布的影响更复杂，需要进一步研究。
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