特厚煤層綜放工作面采動應(yīng)力演化規(guī)律研究

竇曉劍

(大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

東周窯礦開采特厚煤層厚度為15m，工作面上部賦存有多層堅硬砂巖。特厚煤層由于開采空間大，覆巖運(yùn)動范圍大，覆巖運(yùn)動持續(xù)時間長，增加了工作面開采難度[1-4]。為了研究特厚煤層綜放開采礦山壓力顯現(xiàn)的特殊性，本文采用數(shù)值模擬方法，研究特厚煤層工作面開采過程中的工作面圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，為工作面安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 特厚煤層采動應(yīng)力數(shù)值模型建立

依據(jù)東周窯礦8106與8105工作面的相互位置關(guān)系，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計算模型，研究工作面推進(jìn)過程中采動應(yīng)力場分布規(guī)律。模型長×寬×高=700×600×150m（圖1），共建立648960個單元，683995個節(jié)點(diǎn)。各煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 工作面走向模型圖

2 特厚煤層采動應(yīng)力數(shù)值分析

圖2～圖4為工作面推進(jìn)不同位置時頂板應(yīng)力分布圖，表2為工作面推進(jìn)不同位置超前支承壓力峰值情況。由圖可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至200m時(工作面見方，即工作面采空區(qū)頂板懸露距離與工作面長度相當(dāng))，超前支承壓力峰值達(dá)到最大26.8MPa。采空區(qū)見方階段，上覆堅硬厚巖層在回采過程中由于巖層運(yùn)動積聚了大量的彈性能量，同時下位堅硬巖層的斷裂轉(zhuǎn)移上來的水平應(yīng)力也都聚集在高位硬巖層上，造成工作面礦壓顯現(xiàn)明顯。

工作面推進(jìn)至390～410m (第二次見方)、575～610m(第三次見方)時，超前支承壓力峰值再次達(dá)到最大。隨著工作面推進(jìn)，支承壓力的變化循環(huán)反復(fù)。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)工作面見方時，工作面超前支承壓力峰值最大，工作面采動應(yīng)力場的變化受采空區(qū)尺寸的影響。

表2 8106工作面推進(jìn)過程超前支承壓力峰值情況

圖5為支承壓力峰值的變化曲線，由圖可知，工作面推進(jìn)至見方位置（推進(jìn)200m、400m和600m）時，超前支承壓力峰值升高，推過見方位置應(yīng)力降低，第一次見方前方支承壓力最大，達(dá)到了26.8MPa；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，見方時超前支承壓力雖有升高，但已不明顯。由工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ兓€可知，隨著工作面推進(jìn)，側(cè)向支承壓力峰值不斷升高，不受工作面見方與否的影響，當(dāng)工作面推進(jìn)400m后側(cè)向支承壓力開始大于超前支承壓力，當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于500m后側(cè)向支承壓力達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定，應(yīng)力值為27.5MPa。現(xiàn)場5105巷礦壓顯現(xiàn)明顯開始于8106工作面推進(jìn)517.8～525.2m時，數(shù)值模擬結(jié)果與其相吻合，8106工作面推進(jìn)距離超過500m，側(cè)向支承壓力達(dá)到最大，對5105巷的圍巖穩(wěn)定造成明顯影響。

圖2 8106工作面推進(jìn)200m時頂板應(yīng)力分布

圖3 8106工作面推進(jìn)410m時頂板應(yīng)力分布

圖4 8106工作面推進(jìn)610m時頂板應(yīng)力分布

圖6為8106工作面5105巷幫5m處垂直應(yīng)力變化曲線。由圖可知，隨工作面推進(jìn)距離的增加，5105巷的煤柱側(cè)幫中垂直應(yīng)力在不斷增大，并且當(dāng)8106工作面推進(jìn)500m后，其工作面后方120～260m之間5105巷的煤柱側(cè)幫中的垂直應(yīng)力最大，最大值為25～26MPa，在高應(yīng)力的作用下，5105巷的圍巖穩(wěn)定性將受到較大的影響，導(dǎo)致巷道變形明顯。

圖5 工作面超前支承壓力與側(cè)向支承壓力變化曲線

圖6 采空區(qū)范圍煤柱中垂直應(yīng)力分布

3 特厚煤層工作面礦壓顯現(xiàn)綜合分析

通過現(xiàn)場礦壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計及數(shù)值模擬結(jié)果，8106工作面礦壓顯現(xiàn)特征及對鄰近5105巷礦壓顯現(xiàn)的影響作用表現(xiàn)為：

（1）推進(jìn)距離與工作面長度相當(dāng)時（“見方”），頂板的運(yùn)動與破壞對工作面超前支承壓力的影響明顯，應(yīng)力峰值升高明顯；當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于500m后，采空區(qū)頂板的運(yùn)動對煤柱中的應(yīng)力分布影響明顯，并且工作面后方120～260m為最大影響區(qū)域，應(yīng)力最大為25～26MPa，該區(qū)域緊隨工作面的推進(jìn)，此高應(yīng)力范圍是引起5105巷劇烈變形的主要原因之一。采空區(qū)懸露頂板每次“見方”時，覆巖都要達(dá)到充分采動周期，此時覆巖的劇烈運(yùn)動，形成的礦山壓力較大，影響范圍較大，造成鄰近工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，圍巖變形破壞嚴(yán)重。

（2）8106工作面上覆堅硬厚層頂板不易垮落，懸頂時積聚能量，3～5#煤層厚層堅硬頂板積聚的彈性勢能的突然釋放對5105巷形成強(qiáng)烈震動與沖擊。8106工作面堅硬頂板彈性勢能釋放引起的沖擊、巖層運(yùn)動形成的垂直方向的壓力及側(cè)向的擠壓力影響與控制著5105巷的礦壓顯現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）推進(jìn)距離與工作面長度相當(dāng)時（“見方”），頂板的運(yùn)動與破壞對工作面超前支承壓力的影響明顯，應(yīng)力峰值升高明顯，應(yīng)力最大為25～26MPa，此高應(yīng)力范圍是引起5105巷劇烈變形的主要原因之一。

（2）當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于500m后，工作面后方120～260m范圍應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力最大達(dá)到25～26MPa。

（3）8106工作面堅硬頂板彈性勢能釋放引起的沖擊、巖層運(yùn)動形成的垂直方向的壓力及側(cè)向的擠壓力影響與控制著5105巷的礦壓顯現(xiàn)。