孤島工作面頂板礦壓分布特征研究

余學(xué)義 尚 軒 張冬冬 毛旭魏 張建兵

(1. 西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2. 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西省西安市，710054)

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孤島工作面頂板礦壓分布特征研究

余學(xué)義1,2尚 軒1,2張冬冬1,2毛旭魏1,2張建兵1,2

(1. 西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2. 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西省西安市，710054)

為了解孤島工作面在形成前及回采過程中頂板壓力情況，以某礦2321工作面為例，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析其頂板在兩側(cè)工作面開采之后及在回采過程中的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明，當(dāng)兩側(cè)工作面在未回采到測線處時，其頂板上的應(yīng)力值大小近似于原巖應(yīng)力；采過測線后，應(yīng)力隨之增大，最終保持穩(wěn)定。此時頂板上方應(yīng)力為1.3～2.0倍原巖應(yīng)力，且應(yīng)力集中主要分布在兩側(cè)?；夭善陂g，當(dāng)工作面開采130 m時，超前壓力最大值為43 MPa，出現(xiàn)在距煤壁11 m處左右。

孤島工作面 頂板壓力分布 礦山壓力 數(shù)值模擬

孤島工作面能夠有效解決由于煤礦生產(chǎn)接替導(dǎo)致的掘進(jìn)速度滿足不了工作面推進(jìn)速度的問題。因此，目前國內(nèi)大量的礦井開始用孤島工作面進(jìn)行開采。但是孤島工作面開采容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得煤層頂板礦壓顯現(xiàn)的程度更加明顯，因此了解孤島工作面在形成前以及在回采過程中頂板的壓力情況，對巷道支護(hù)和其他孤島工作面的超前巷道支護(hù)具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工作面情況

某煤礦2321孤島工作面介于西2311工作面采空區(qū)和東2331工作面采空區(qū)之間，南起二采區(qū)西軌道巷，北邊到F5斷層保護(hù)煤柱，如圖1所示，工作面標(biāo)高-404.85～-468.8 m。該工作面采用綜采工藝，推進(jìn)方向?yàn)槊簩幼呦颉?/p>

1.2 煤巖層特征

2321孤島工作面位于3#煤層，煤層厚度為5.85～6.15 m，厚度變化較大。煤層埋深為405～495 m，平均煤層埋深約為470 m，煤層傾角3°～7°，松散層厚約365～400 m。3#煤層裂隙發(fā)育較充分，普氏系數(shù)f=2～3，煤體較破碎。頂板為泥砂巖互層，厚度大于12 m，其中直接頂厚度小于0.6 m。泥巖厚0.48～2.1 m，顏色從淺灰到黑灰，塊狀，有較少量炭質(zhì)賦存于里面。砂巖薄層狀，灰白色，硅泥膠結(jié)，裂隙發(fā)育，f=5～8。3#煤層直接底主要是由含有微量的碳質(zhì)、植物化石和黃鐵礦結(jié)核的黑色塊狀泥巖構(gòu)成，f=4～7，其厚度小于0.78 m；而老底則主要是由含有少量硅的灰色塊狀砂巖構(gòu)成，硬度較大，裂隙發(fā)育較為充分，f=6～7，厚度大于8.2 m。

2 數(shù)值模擬建模

本次建模采用工程上常用的FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模型建立如圖2所示。

圖2 初始模型建立圖

(1)模型尺寸。2321工作面長105 m，走向長780 m，靠近西側(cè)2331工作面長90 m，走向長915 m，東側(cè)2311工作面長120 m，走向長690 m。2321工作面兩側(cè)各有寬5 m的區(qū)段煤柱。沿煤層傾向采取5∶1的比例建模，沿煤層走向采取簡化建模。為了盡可能做到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確，減少邊界效應(yīng)影響，在x、y方向各留20 m、30 m作為邊界煤柱。z方向建立6 m的煤層底板巖層和90 m的煤層頂板巖層。

(2)單元數(shù)與單元尺寸。模型共建有網(wǎng)格數(shù)27640個，模型建立時，為了方便進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對模型進(jìn)行了簡化，針對重點(diǎn)觀察的3#煤層頂板，建立的網(wǎng)格比較細(xì)密，而其他地方則比較稀疏。

(3)邊界條件。在模型的左右、前后(x、y方向)兩側(cè)邊界施加水平約束，使其位移為零，保持固定。設(shè)置模型底部的邊界固定不動，即豎直方向位移為零。模型的頂部作為自由邊界。在模型的頂部附加一個等效應(yīng)力，用來模煤層上方覆巖到地表的重力。

按照工程地質(zhì)概況，確定模型物理參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 單側(cè)工作面回采后應(yīng)力分析

對于孤島工作面的形成過程而言，孤島面工作面是由一側(cè)的工作面回采結(jié)束后，再回采另一側(cè)的工作面而形成的。因此，其頂板也是在受到了一側(cè)工作面開采的影響之后又受到另一側(cè)工作面的開采影響。為了掌握孤島工作面在形成前以及回采過程中頂板的礦壓分布情況，需對此過程進(jìn)行分步研究，在工作面右?guī)途嚯x頂板2 m處，從煤幫向2321工作面煤體內(nèi)60 m處布置3條測線，前10 m范圍內(nèi)，測點(diǎn)布置方式為每間隔1 m布置1個，緊接著15 m范圍內(nèi)測點(diǎn)布置方式為每間隔1.5 m布置1個，最后的35 m每隔2.5 m布置一個測點(diǎn)。測線布置如圖3所示。在記錄數(shù)據(jù)的過程中一次間隔100步。為研究2331工作面開挖后2321工作面頂板支撐壓力的分布規(guī)律，進(jìn)行數(shù)值模擬時在2331工作面左側(cè)距頂板3 m處，自煤壁向2321工作面煤體內(nèi)55 m處布置3條測線，其中前10 m每隔1 m 布置一個測點(diǎn)，其次15 m每隔1.5 m布置一個測點(diǎn)，最后的30 m采用2.5 m布置一個測點(diǎn)，測線布置如圖3所示。在記錄數(shù)據(jù)的過程中一次間隔100步。

圖3 工作面測線布置圖

2311工作面推進(jìn)過程中2321工作面頂板應(yīng)力變化如圖4所示。

圖4 2311工作面推進(jìn)過程中2321工作面頂板應(yīng)力曲線圖

由圖4(a)可以看出，當(dāng)工作面還未開采到所布置的測線處時，在靠近測線處，工作面頂板的壓應(yīng)力幾乎等于原巖應(yīng)力，由此可以說明2321工作面煤層頂板還未受到開采的影響。當(dāng)距測線15 m時，頂板測線處的壓應(yīng)力要比距測線30 m處略大。由圖4(b)可以看出，隨著工作面不斷推進(jìn)，測線附近的應(yīng)力場也隨之發(fā)生改變，其頂板上的壓力值開始增大。當(dāng)工作面從采過測線到回采結(jié)束過程中，測線處的壓應(yīng)力隨之突然增大，最后當(dāng)工作面上覆巖層穩(wěn)定后，壓應(yīng)力達(dá)到最大值且保持穩(wěn)定。靠近2311工作面一側(cè)的2321工作面頂板的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在測線處8～9 m附近。

3.2 雙側(cè)工作面回采后應(yīng)力分析

2331工作面推進(jìn)過程中2321工作面頂板應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 2331工作面推進(jìn)過程中2321工作面頂板應(yīng)力曲線圖

由圖5(a)可知，當(dāng)采煤工作面未推進(jìn)至測線的時候，測線處頂板的壓力幾乎和原巖應(yīng)力相等，但不同于一側(cè)工作面的開采，當(dāng)2321工作面另一側(cè)也開始回采時，測線處工作面頂板的壓力值比單側(cè)開采大。因此，2311工作面的開采影響了整個采場工作面頂板的受力情況。由圖5(b)可知，當(dāng)2331工作面回采過測線后，測線處頂板的壓應(yīng)力隨之增大，當(dāng)工作面上覆巖層穩(wěn)定后，垂直應(yīng)力達(dá)到最大值且保持穩(wěn)定。靠近2331工作面一側(cè)的2321工作面頂板的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在測線處8 m附近。

3.3 2321工作面回采期間超前壓力分析

在回采2321工作面期間，數(shù)值模擬采區(qū)前390 m每隔10 m，后390 m每隔30 m做一個切片觀測頂板上方壓力分布情況。工作面回采中煤層頂板壓力峰值情況如圖6所示。由圖6可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，孤島煤體產(chǎn)生全面的應(yīng)力集中，工作面上方垂直壓力逐漸增大后減小，待開挖穩(wěn)定后，壓力峰值基本保持不變，可以確定距工作面煤壁140 m左右時，壓力達(dá)到最大值。超前支撐壓力峰值在距離工作面煤壁前方位置，且峰值出現(xiàn)在距離煤壁11 m處左右，峰值為43 MPa，工作面超前壓力同樣先增大后減小。峰值過后壓力逐漸減小，最終保持穩(wěn)定。

圖6 2321 工作面推進(jìn)過程中2321工作面頂板應(yīng)力曲線圖

3.4 結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果表明，2311和2331工作面的開采使2321工作面頂板兩側(cè)上方壓力較按正常順序開采時明顯增大，尤其是當(dāng)2331工作面開采結(jié)束后，這種現(xiàn)象尤為明顯。同時也可以看到在開采前2321工作面頂板兩側(cè)壓力大小成非對稱分布，即靠近2331工作面一側(cè)壓力要大些。

不同于普通工作面，孤島工作面由于受到兩側(cè)工作面開采的重復(fù)采動影響，其頂板壓力顯現(xiàn)更為突出，其中工作面超前支撐壓力峰值明顯大于一般工作面，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文主要研究了2321孤島工作面在形成前以及開采推進(jìn)中，工作面頂板的壓應(yīng)力分布情況。得出以下結(jié)論：

(1)單側(cè)開采2311工作面。當(dāng)未采到測線處時，2321工作面頂板幾乎不受采動影響。當(dāng)工作面推進(jìn)過測線，壓力逐漸增加，直到采空區(qū)穩(wěn)定后，頂板壓力達(dá)到最大值14 MPa。壓力的最大值位于測線處8～9 m左右。

(2)雙側(cè)開采2331工作面。當(dāng)未推進(jìn)到測線位置處時，2321頂板壓力近似于原巖應(yīng)力，略大于單側(cè)開采。工作面推進(jìn)過測線，壓力逐漸增大，直到采空區(qū)穩(wěn)定后，頂板壓力達(dá)到最大值14.5 MPa。最大值位于測線8 m處。

(3)回采2321工作面之前。其頂板壓應(yīng)力大小為1.3～2.0倍原巖應(yīng)力之間，且應(yīng)力分布在頂板兩側(cè)?；夭?321工作面期間。在工作面剛開始回采的時候，工作面頂板上的應(yīng)力集中最不明顯，但隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，并在回采中期時達(dá)到最大。當(dāng)工作面推進(jìn)130 m時頂板超前壓力最大值為43MPa，出現(xiàn)在距離工作面煤壁11 m處。

[1] 朱兵兵. 孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及超前支護(hù)技術(shù)研究 [D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2015

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face

Yu Xueyi1,2， Shang Xuan1,2， Zhang Dongdong1,2， Mao Xuwei1,2， Zhang Jianbing1,2

(1.School of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China;2. Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

In order to understand mining stress at roof of isolated work face before and during the extraction process, taking 2321 work face of a mine as an example, the FLAC3D numerical simulation software analyzed the stress distribution of roof after work faces of both sides during and after the process of mining excavation. The results showed that the roof stress was close to the original rock stress when work faces of both sides had not mined to measure line, the stress increased after mining over the line, then ultimately keeping stable. The stress at roof was 1.3 to 2 times of the original rock stress, and the stress concentration was mainly distributed on both sides. During mining process, the maximum value of the advance pressure equaled to 43 MPa and occurred at 11 meter away from the coal wall when the work face advanced 130 m.

isolated work face, roof stress distribution, mining stress, numerical simulation

高等學(xué)校學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20106121110003)，陜西省自然科學(xué)基金(2011JS005)

余學(xué)義，尚軒，張冬冬等. 孤島工作面頂板礦壓分布特征研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(7)：62-65. Yu Xueyi，Shang Xuan，Zhang Dongdong，et al. Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face [J]. China Coal，2017,43(7)：62-65.

TD823

A

余學(xué)義(1955-)，男，陜西定邊人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事開采損害及防護(hù)方面研究。