羊場灣煤礦160203工作面強礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

文 / 王立峰 魏啟明

羊場灣煤礦以160203工作面為研究對象，采用FLAC3D軟件對該工作面強礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。研究表明，該工作面受到臨近采空區(qū)的側(cè)向支承壓力的疊加導致工作面沿走向的超前支承壓力回采至900m時才出現(xiàn)穩(wěn)定，穩(wěn)定值為50MPa左右；工作面回風巷開采位置前30m處，應力開始處于單峰上升形態(tài)，在進入160201工作面采空區(qū)后開始出現(xiàn)雙峰狀態(tài)，最終在停采線區(qū)域達到最大值68MPa。該研究對礦井安全生產(chǎn)具有重要的保障作用，并對類似工作提供了有益的借鑒。

一、工作面概況

羊場灣煤礦160203工作面位于羊場灣煤礦一號井井田中部，走向長1292m，傾斜長為295m。采用走向長壁綜合機械化開采，采二號煤層，采厚5.6m，全部垮落法管理頂板，為綜采工作面。

工作面二號煤層厚度在7.91～8.26m之間，平均厚度為8m，煤層埋深在516～624m之間，平均埋深570m，平均傾角為10°，屬于深埋緩傾斜煤層。煤層頂板由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及細砂巖組成。工作面西側(cè)為160201工作面的采空區(qū)，兩工作面之間布設(shè)有約35m寬的煤柱。

二、工作面強礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

1.建立模型

以160203工作面鉆孔綜合柱狀圖及采區(qū)內(nèi)平面布置圖為基礎(chǔ)，并對條件進行適當簡化，建立數(shù)值模型。160201工作面和160203工作面走向長度分別在800m左右和1250m左右，傾向長度均為300m。

模型上覆巖層產(chǎn)生的壓力按靜水壓力大小在模型上邊界施加均布載荷。模型頂端施加的等效載荷按公式計算得到：

式中：γ—覆巖的體積力，25kN/m3；

H—模型頂界的深度，m。

煤層平均埋深以500m計算，模型高119m，根據(jù)上式計算，模型中煤層初始應力為13MPa左右，在模型上邊界施加的等效垂直應力載荷為10MPa左右。對于模型計算的邊界條件，首先對模型的四周各邊界施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0；然后再將模型的底部邊界固定，即底部邊界的水平、垂直位移都為0；最后將模型的頂部設(shè)為自由邊界。

2.模擬結(jié)果分析

（1）工作面超前支承壓力演化分布規(guī)律

對于160201工作面，按照依次回采100m、800m進行開挖，共模擬回采800m。據(jù)回采過程中應力場分布演化模擬結(jié)果表明，隨工作面向前推進，采場附近的應力集中程度和區(qū)域不斷變化。在工作面開挖面積較小時，應力集中以工作面采空區(qū)前后區(qū)域為主。隨工作面開挖面積增大，工作面采空區(qū)四周具有相似的應力集中，并最終變?yōu)橐圆煽諈^(qū)兩側(cè)為主。

此外，由于煤層存在10°左右的傾角，工作面開挖后形成的應力場并非完全對稱，而是應力集中區(qū)域整體偏向下側(cè)的160203工作面，對于160203工作面回采時的應力場分布和演化具有明顯的影響。

為進一步分析160201工作面回采期間工作面走向的超前支承壓力分布規(guī)律，在160201工作面中部處沿走向方向提取160201工作面開挖階段超前支承壓力值，如圖1所示。由圖1可知，隨著160201工作面回采，超前支承壓力峰值先不斷上升，后逐漸穩(wěn)定在40MPa左右（應力集中系數(shù)大概3.1），深度一般在工作面前方15m左右。

圖1 160201工作面沿走向超前支承壓力分布

對于160203工作面，按照依次回采100m、300m、500m、700m、900m和1250m進行開挖，模擬回采長度為1250m。

隨著160203工作面向前推進，采場附近的應力集中程度和區(qū)域不斷變化。在回采初期，160203工作面采空區(qū)附近應力場基本不受160201工作面采空區(qū)的影響，其應力場演化特征與160201工作面回采初期的應力場演化特征一樣。在160203工作面回采至大概400m時，其超前支承壓力開始明顯和160201工作面的側(cè)向支承壓力疊加在一起。隨160203工作面向前推進，這種支承壓力的疊加效應更強更明顯。隨后在整個回采期間，160203工作面都表現(xiàn)出一種從工作面上端頭向機巷停采線區(qū)域逐漸弱化的應力場分布特征。

為進一步分析160203工作面回采期間工作面走向的超前支承壓力分布規(guī)律，在Y=300m（160203工作面中部）處沿走向提取160203開挖階段超前支承壓力值，如圖2所示。由圖2可知，隨著160203工作面回采，工作面超前支承壓力也在隨之變化。總體上，超前支承壓力峰值先不斷上升，最后逐漸穩(wěn)定在50MPa左右（應力集中系數(shù)大概3.8），深度一般在工作面前方15m左右。與160201工作面不同的是，160203工作面在回采至大概900m左右時，超前支承壓力峰值才開始逐漸穩(wěn)定在50MPa左右，而160201工作面在回采至400m左右時其超前支承壓力峰值就開始穩(wěn)定在40MPa左右。

圖2 160203工作面沿走向超前支承壓力分布

（2）工作面煤柱區(qū)段應力演化分布規(guī)律

在160203工作面回采過程中，為了研究開采活動對160203工作面回風巷的影響，提取160201工作面與160203工作面之間的區(qū)段煤柱應力進行分析。監(jiān)測位置選擇在開采位置前方30m處煤柱內(nèi)沿傾向方向。同時，提取距離160201工作面開切眼30m處的煤柱內(nèi)沿傾向方向的豎向應力值。

通過區(qū)段煤柱應力分析，在160203工作面回采期間，其前方30m處煤柱區(qū)域的應力分布演化表現(xiàn)出與超前支承壓力類似的規(guī)律。在工作面回采初期，其應力分布為單峰狀態(tài)，且隨工作面推進，峰值應力逐漸升高。在進入160201工作面采空區(qū)區(qū)域后，煤柱內(nèi)的應力分布變?yōu)殡p峰狀態(tài)。剛進入160201采空區(qū)區(qū)域時，160203工作面回風巷側(cè)的應力峰值比160201工作面機巷側(cè)的應力峰值大。隨后，煤柱兩側(cè)的應力峰值逐漸變?yōu)橄嗟?。最終，在停采線區(qū)域，煤柱中的應力峰值最大達到68MPa左右，對應應力集中系數(shù)約為5.2。

三、結(jié)論

1. 工作面回采過程中，超前支承壓力峰值呈先升高后未穩(wěn)定的趨勢，160201工作面約在回采400m處，超前支承壓力峰值開始穩(wěn)定，最大值約為40MPa；由于160201工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力和煤層傾角的影響，160203工作面回采至900m時超前支承壓力開始出現(xiàn)穩(wěn)定，峰值約為50MPa。

2. 臨近工作面的采空區(qū)是導致160203工作面超前煤柱區(qū)應力水平升高、煤柱豎向應力急劇變化的主要原因。工作面回采至160201工作面采空區(qū)后，其超前煤柱區(qū)域的應力水平開始明顯升高，最高值約為68MPa，出現(xiàn)在停采線附近；當160203工作面回采接近160201工作面切眼時，160201工作面前方30m位置處煤柱內(nèi)豎向應力處于雙峰狀態(tài)，并先慢后快逐漸升高。當160203工作面回采過160201工作面前方30m監(jiān)測線后，對應煤柱兩側(cè)的支承壓力峰值重合，由雙峰狀態(tài)變?yōu)閱畏鍫顟B(tài)，應力峰值急劇增大，將極易發(fā)生整體破壞并釋放聚集的大量彈性能。