煤峪口礦孤島綜采面采動應力場與支架適應性分析

李健偉

(山西大同煤礦集團有限公司 煤峪口礦，山西 大同 037003)

為緩解礦井接續(xù)緊張局面、降低煤層自燃風險，采區(qū)內通常采用跳采方式回采，這樣就會形成一個兩側、三側，甚至四側采空的工作面，這類工作面稱之為孤島工作面[1-2]。由于工作面煤體處于多處采空區(qū)支承應力范圍內，煤體應力重復疊加，造成煤體應力升高區(qū)范圍加大，導致工作面礦壓顯現嚴重，誘發(fā)工作面沖擊礦壓[3-5]。煤峪口礦8605工作面為煤峪口礦406盤區(qū)規(guī)劃的工作面，其北部和南部分別為8603采空區(qū)和8607采空區(qū)，該工作面屬于孤島工作面，工作面開采14-2號煤層，煤層平均厚度2.5 m，平均傾角2°，屬近水平煤層，煤層頂板和底板巖層以砂巖和頁巖為主，工作面采用綜合機械化采煤，采煤機型號MG300/700-WD，液壓支架型號ZZS-6000/17/37，刮板機型號SGZ-764/400，工作面長度179.9 m，推進長度540 m。

1 孤島綜采面采動應力場分布

煤體應力是影響工作面礦壓顯現的重要因素之一，為分析孤島綜采面應力分布特征，采用FLAC3D數值模擬軟件進行煤峪口礦孤島綜采面采動應力場分布的研究，模型尺寸長、寬、高分別為400 m、400 m、300 m。模擬時簡化模型尺寸，工作面模擬長度90 m，模擬推進長度270 m，模型四周和底部固定位移，上部施加均勻載荷模擬覆巖重力。

圖1給出了試驗工作面單側采空下采動應力場分布云圖。如圖1所示，煤層應力升高區(qū)主要位于采空區(qū)四周，可以明顯看出，工作面走向方向兩側的采動應力大于工作面前后，兩側煤層鄰近采空區(qū)時應力較小，遠離采空區(qū)后應力迅速增加至應力峰值，應力值約21.0～23.0 MPa，之后迅速降低至原巖應力，應力值約10.0 MPa。

圖1 單側采空下采動應力場分布云圖

圖2給出了試驗工作面兩側采空下采動應力場分布云圖。如圖2所示，與單側采空采動應力場分布類似，煤層應力升高區(qū)主要位于兩側采空區(qū)四周，可以明顯看出，工作面走向方向兩側的采動應力大于工作面前后，兩側煤層鄰近采空區(qū)時應力較小，遠離采空區(qū)后應力迅速增加至應力峰值，應力值約24.0～27.0 MPa，相比單側采空采動應力增加了3.0～4.0 MPa，之后迅速降低至原巖應力，對比圖1和圖2可知，受重復采動影響，雙側采空應力升高區(qū)范圍大于單側采空。

圖2 雙側采空采動下應力場分布云圖

圖3給出了模擬開采40 m、150 m、260 m時期試驗工作面下采動應力場分布云圖，如圖所示，工作開采40 m范圍時(模擬開采初期)，應力場分布近似呈馬鞍狀，工作面中部前方煤層應力峰值在約20.0 MPa，工作面端頭處煤層應力峰值達30.0 MPa；工作開采150 m范圍時(模擬開采中期)，采動應力和應力升高區(qū)范圍明顯增大，工作面中部前方煤層應力峰值超過了30.0 MPa，工作面端頭處煤層應力峰值超過了40.0 MPa；工作開采260 m范圍時(模擬開采末期)，煤層應力峰值在約35.0 MPa，同比模擬開采初期應力有所增加，模擬開采末期有所減小。

圖3 工作面回采采動應力場分布云圖

2 支架適應性分析

2.1 支架工作阻力校核

采用經驗公式進行校核支架工作阻力。工作面合理支護強度Q應滿足式(1)。

Q=HrK

(1)

式中:H為工作面采高，r為頂板巖層容重；K為支架承載覆巖厚度與采高之比，這里取H=3.3 m，r=2 500 N/m3，K=5。經計算工作面合理支護強度Q=412.5 kN/m2，現場實測的支架初期來壓時平均支護強度約580 kN/m2，因此校核時取較大的支護強度。

根據公式(2)將支護強度Q換算為支架工作阻力P。

P=Q(Lk+Ld)B

(2)

式中，Q為支架支護強度，Lk為頂板巖層斷裂距離，Ld為頂板巖層梁體結構長度，B為支架寬度，這里取Q=580 kN/m2，Lk=0.3 m，Ld=5.24 m，B=1.5 m。經計算支架工作阻力P=4 820 kN，與ZZS-6000/17/3型液壓支架的額定工作阻力6 000 kN相比，完全可以滿足現場所需的支護強度，表明選型的合理性和可靠性。

2.2 支架受力分析

在8605工作面選取端部和中部各5架液壓支架作為測站，監(jiān)測工作面回采時的液壓支架受力情況，表1給出了工作面礦壓觀測統(tǒng)計表，監(jiān)測結果表明，位于端部和中部的礦壓顯現規(guī)律有所不同?；夭沙跗?，位于端部區(qū)域的支架受力相對于工作面中部區(qū)域較小，同時，由于回采初期支架調整緩和了覆巖活動，導致工作面初次來壓較小，工作面初次來壓步距為41.1 m，初次來壓強度15.8 MPa，初次來壓后，工作面每推進15.0～25.0 m出現周期來壓現象?；夭芍衅冢芷趤韷簭姸?2.3 MPa，工作面中部區(qū)域來壓現象更為明顯，周期來壓步距約為21.7 m?；夭赡┢?，周期來壓強度19.8 MPa，總體看，礦壓顯現規(guī)律與綜采面采動應力場分布特征相互對應。

表1 工作面礦壓觀測統(tǒng)計

3 結 語

孤島綜采面受多處采空區(qū)支承應力影響，工作面礦壓顯現嚴重。研究了單側采空下、雙側采空下采動應力場分布特征，受重復采動影響，雙側采空應力升高區(qū)范圍和應力峰值均大于單側采空，分析了本工作面初期、中期、末期回采時的采動應力場分布特征和支架受力情況，分析表明由于開采中期采動跨距相對較大，采動影響最為明顯，總體看，支架受力和采動應力場分布相互吻合。