0 引言
随着煤炭开采深度不断加大，采空区面积日益增大，煤层地质条件愈加复杂[1-3]，为避免生产和接续工作面之间的干扰、防止煤层自燃和瓦斯灾害，采区内工作面之间采用跳采连续方式，形成孤岛工作面[4-5]。该类工作面应力集中，在推进过程中会引起覆岩断裂、移动，导致覆岩裂隙充分发育并为瓦斯流动提供直接通道[6-9]，从而卸压瓦斯在回采期间进入工作面，严重威胁工作面的安全生产。国内外学者对孤岛工作面覆岩裂隙演化规律进行了大量研究。林峰等[10]利用FLAC3D模拟软件对张集煤矿孤岛工作面应力分布进行了研究，研究结果表明,工作面应力主要集中在采空区的两侧，且确定了合理的煤柱宽度。李志华等[11]利用FLAC3D模拟软件和实测数据对比分析了采空区下、一般孤岛工作面中矿压显现规律的不同，认为采空区下孤岛工作面相对于实体煤下孤岛工作面矿压显现不显著。宋艳芳等[12]利用FLAC3D模拟软件得出了上下区段煤柱处于高应力集中区且煤岩应力集中系数不断增大的结论。曹建军等[13]利用UDEC和FLAC3D模拟软件针对特殊的“T”型覆岩结构特征，研究了回采中覆岩移动变形及应力场的分布和动荷载对煤岩体的冲击破坏规律。郭之标等[14]采用模拟与现场实测结合的方法对超长孤岛工作面沿空掘巷矿压显现规律进行了研究，提出了针对性的巷道加强支护技术。张向阳等[15]应用理论分析、数值模拟与工程实践的方法对迎上下采空区孤岛工作面沿空掘巷围岩变形破坏特征进行了研究，提出了全断面围岩控制技术思路。
以上对孤岛工作面的研究主要是研究掘进巷道变形规律和矿压显现规律，且研究对象多为左、右两面为老采空区的一般孤岛工作面，而没有涉及左、右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面采场内采空区覆岩变形破坏特征的研究。“三面”孤岛工作面在回采过程中较易打破煤岩体力学平衡，严重影响矿井安全生产，故迫切需要对其进行研究。本文利用FLAC3D数值模拟软件系统研究了左、右、上三面均存在老采空区的孤岛工作面采动过程中覆岩应力、位移及塑性区变形特征，得到了该条件下工作面在回采期间的覆岩变形特征，为同类型的孤岛工作面实现煤与瓦斯共采奠定了坚实的理论基础。
1 工作面概况
120502工作面位于某煤矿一水平东二采区，东临XL2陷落柱,西接5煤集中上山，南为120503采空区，北近120501采空区及原120502轨道运输巷，上方为6煤采空区。120502工作面采用走向长壁布置，工作面平面积为261 907.7 m2，平均煤层倾角为9°，属于近水平煤层，该工作面平均可采斜面积为268 796.9 m2。采区内5煤层处于多煤层组成的煤层群中，工作面中部煤层分叉发育泥岩夹矸，夹矸厚为0～0.81 m，平均煤厚为4.0 m。5煤层顶底板岩性特征见表1。
表1 5煤层顶底板岩性特征
Table 1 Characteristics of roof and floor lithology in No.5 coal seam
本采区已先后回采120501、120601、120503工作面,120502工作面为采区第4个回采工作面，为孤岛开采。120501工作面于2011年11月开始回采，2012年8月回采结束，位于工作面北侧，留设煤柱30 m。120601工作面于2013年3月开始回采，2013年12月回采结束，位于工作面正上方，法距约18 m。120503工作面于2014年10月开始回采，2015年8月回采结束，位于工作面南侧，留设煤柱30 m，形成孤岛开采。各工作面之间的空间位置关系如图1所示。
图1 工作面空间位置关系
Fig.1 Position relationship of working face space
2 数值模型的建立
2.1 数值模型设计
采用FLAC3D数值模拟软件对覆岩应力、位移及塑性区变形特征进行研究。根据120502工作面的地质条件和煤层实际情况，数值模拟计算模型尺寸为550 m×400 m×232 m，采区内各工作面宽度均为130 m，回采长度均为240 m，工作面回采方向均为模型走向。模型四周为位移边界条件，上部为应力边界条件。计算模型采用弹塑性模型，选用莫尔-库伦破坏准则(式(1))，考虑整个模型的自身质量，顶部施加9 MPa垂直地应力，模型共划分为484 000个三维单元，有503 496个节点。根据现场地质条件和相关试验提供的岩石力学试验结果，主要煤岩层的具体力学参数见表2。
fs=σ1-σ3(1+sinφ)/(1-sinφ)+2c
(1)
式中：fs为莫尔-库伦破坏准则;σ1,σ3分别为最大主应力和最小主应力；φ,c分别为摩擦角和黏聚力。
表2 主要煤岩层的具体力学参数
Table 2 Specific mechanics parameters of main coal seam and rock
2.2 模拟步骤
为了准确模拟孤岛工作面回采引起的覆岩应力、位移及塑性区变形特征，模拟步骤如下：
(1)在给定地应力和边界条件下让模型达到初始平衡状态。
(2)根据采场的顺序，分别开挖120501工作面、120601工作面、120503工作面，构建出“三面”孤岛工作面。
(3)分步回采120502孤岛工作面煤层。
3 覆岩变形特征模拟结果分析
3.1 覆岩应力场的演化特征
随着工作面的不断推进，煤岩体内部的应力平衡被打破，不同推进距离时采空区中部断面上的煤岩体在倾向的应力分布云图如图2所示。
(a)推进80 m
(b)推进130 m
(c)推进180 m
(d)推进240 m
图2 不同推进距离时采空区中部煤岩体垂直应力分布云图(倾向)
Fig.2 Vertical stress distribution cloud map of coal and rock mass in the middle of goaf under condition of different propulsion distances (prone direction)
从图2可看出，随着工作面的推进，采空区上覆岩层的卸压区域以拱形不断向上移动扩大，采空区上方岩体受到的拉应力峰值也不断增大，且卸压区域逐渐融合成一体,最终形成“马鞍形”。工作面左侧煤柱应力集中程度逐渐增大，应力集中系数由2.93增加至5.41，而右侧煤柱的应力集中现象相对较弱，原因在于其处于上部采空区的卸压范围内。
120502工作面和120601工作面在水平方向上为错层分布，120502、120601工作面重合区段内不同推进距离时走向上覆第1层垂直应力分布曲线如图3所示。从图3可看出，在走向上应力集中区域分布在开切眼的后方和工作面前方，在推进距离未超过上部采空区的范围时，受上部采空区底板卸压区域和终采线周围应力集中的影响，在工作面前方形成应力先降低后升高的现象，而当工作面推进距离达到240 m时，在工作面前方呈现明显的“横三区”(卸压区、应力集中区及原岩应力区)分布。随着工作面的推进，开切眼后方的应力集中峰值基本不变，而工作面前方的支承压力不断增大，应力集中系数由1.19增加到1.85，且支承压力峰值位置与煤壁的距离稳定在10 m左右。
图3 工作面不同推进距离时走向上覆第1层垂直应力分布曲线(重合区段)
Fig.3 Vertical stress distribution curves of the first overburden layer in the strike direction under condition of different propulsion distances on working face(coincident section)
120502、120601工作面非重合区段内不同推进距离下走向上覆第1层垂直应力分布曲线如图4所示。从图4可看出，应力集中区域不变，且应力集中峰值相当。与图3相比可知，在相同的推进距离下，不重合区段内工作面前方的支承压力峰值更大，但推进距离为240 m时，支承压力峰值反而略有降低，说明在推进距离未超过上部采空区范围时工作面前方应力集中程度更高。
3.2 覆岩位移场的变形特征
工作面采动引起上覆岩层的移动变形，覆岩变形导致顶板的水平错动和垂直下沉，从而导致水平位移和垂直位移。120502、120601工作面重合区段内不同推进距离时走向上覆第1层垂直位移变化曲线如图5所示。从图5可看出，在工作面推进距离未超过上部采空区范围时，上覆岩层垂直位移方向由垂直向下转变为向上，且向下的垂直位移峰值不断增大,而向上的位移峰值保持稳定，原因是上部采空区底板底鼓产生的位移造成的影响。
图4 工作面不同推进距离时走向上覆第1层垂直应力分布曲线(非重合区段)
Fig.4 Vertical stress distribution curves of the first overburden layer in the strike direction under condition of different propulsion distances on working face(non-coincident section)
图5 工作面不同推进距离时走向上覆第1层垂直位移变化曲线(重合区段)
Fig.5 Vertical displacement change curves of the first overburden layer in the strike direction under condition of different propulsion distances on working face (coincident section)
120502、120601工作面非重合区段内不同推进距离时走向上覆第1层垂直位移变化曲线如图6所示。从图6可看出，垂直位移的峰值随着推进距离的增大而增大，且在推进全过程中采空区上覆岩层垂直位移均向下。
120502、120601工作面中部位置不同推进距离时走向上覆第1层水平位移变化曲线如图7所示。由图7可知，在采动过程中，采空区卸压区域内覆岩的水平位移也随着开采距离的增大而增大，覆岩受到水平拉伸和挤压的综合作用，裂隙发育更为充分。
图6 工作面推进不同距离时走向上覆第1层垂直位移变化曲线(非重合区段)
Fig.6 Vertical displacement change curves of the first overburden layer in the strike direction under condition of different propulsion distances on working face (non-coincident section)
图7 工作面不同推进距离时走向上覆第1层水平位移变化曲线(中部位置)
Fig.7 Horizontal displacement change curves of the first overburden layer in strike direction under condition of different propulsion distances on working face(central location)
3.3 覆岩塑性区的变形特征
对120502工作面回采过程中煤岩体塑性区的发育状况和演化形态进行追踪记录，得到如图8所示的塑性区变形趋势。从图8可看出，塑性区的变形总体呈现“马鞍形”，随着工作面的推进，上覆岩层塑性区呈非匀速扩展态势，不断向上动态发展，与其他老采空区塑性区逐渐相互贯通，推进距离达到240 m时，塑性区发育高度约为70 m。顶板岩层塑性区发育范围较小，两侧煤柱塑性区发育高度较大，原因为上部工作面开采后底板应力得到了释放，而两侧煤柱处于应力集中区域。采空区顶板上方岩体处于拉压应力区，引起上覆岩层裂隙充分发育，且塑性区延伸扩展也会引起煤岩层裂隙发育，原有采空区及卸压煤体区域内的瓦斯均会向开采层采空区流动，应重点加强该工作面采空区内的瓦斯抽采工作。
(a)推进80 m
(b)推进130 m
(c)推进180 m
(d)推进240 m
图8 工作面不同推进距离时倾向上塑性区变形趋势
Fig.8 Trend of plastic zone deformation in prone direction under condition of different propulsion distances on working face
4 结论
(1)利用数值模拟研究方法研究了左、右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面的应力、位移、塑性区变形特征，研究结果表明了此类孤岛工作面在回采过程中应力、位移及塑性区变形特征与一般工作面变形特征均存在明显差异，且覆岩变形特征更为复杂。
(2)“三面”孤岛工作面回采过程中受上部老采空区扰动较大，工作面前方应力先降低至同一水平后不断升高，应力集中系数不断增大，同时垂直位移方向由垂直向下转变为向上，但向上的位移峰值保持不变。
(3)塑性区呈 “马鞍形”，以非匀速扩展态势向上动态发展，与其他老采空区塑性区逐渐相互贯通，两侧煤柱塑性区发育较高，顶板塑性区发育较低，且顶板上方岩体处于拉压应力区，采空区围岩裂隙充分发育，原有采空区内的瓦斯和卸压煤体内的瓦斯均向开采层采空区流动，应重点加强该工作面采空区内的瓦斯抽采工作。
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