工作面回采前后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究

張 陽

（山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

隨著我國煤炭生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，礦井生產(chǎn)能力不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，目前我國回采煤層厚度在3.5 m以上的煤炭資源占煤炭總儲量的41.2%以上，煤層埋藏深度在1 000 m 以上的煤炭資源占煤炭總儲量的54.7%。但是，隨著采掘煤層厚度的增加，開采深度加大，礦井地應(yīng)力破壞現(xiàn)象，如沖擊低壓、冒頂和圍巖變形等越來越嚴(yán)重，主要原因是煤層深度增加，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部所受原巖應(yīng)力增大，采掘施工過程中破壞了原巖應(yīng)力多向平衡狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分配，產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，并在采掘施工空間內(nèi)進(jìn)行卸壓。在卸壓過程中對回采煤層、巷道圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重卸壓破壞作用，影響著井下采掘施工。礦井應(yīng)力破壞，會導(dǎo)致礦井災(zāi)害事故發(fā)生[1-3]。只有準(zhǔn)確掌握圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及應(yīng)力布置形式，才能消除應(yīng)力對采掘圍巖的破壞。本文以龍頂山煤礦15206 工作面為研究對象，對工作面采取FLAC3D 三維模擬，準(zhǔn)確分析工作面回采期間順槽、回采煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，為后期圍巖控制提供了有力依據(jù)。

1 工程概述

龍頂山煤礦15206 工作面位于+850 水平1502采區(qū)，以北為15205 工作面采空區(qū)，以南為實體煤，以東為15206 運(yùn)輸輔助巷，以西為實體煤。

工作面設(shè)計走向長度為790 m，傾向長度為156 m，采煤層位于太原組下部，K2石灰?guī)r為其直接頂板，上距9 號煤層30.94～49.55 m,平均34.42 m，15 號煤層垮落帶預(yù)計高度為23.4 m，最大導(dǎo)水裂隙帶高度為75.59 m，遠(yuǎn)大于兩層煤的最大間距，開采15 號煤層所產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶會溝通9 號煤層采空區(qū)積水。煤層厚度為2.40～4.78 m，平均厚度為3.68 m，普氏硬度為3～4，為厚煤層。井田范圍內(nèi)該煤層中、西部厚度較小，東部厚度較大。含0～2 層泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡單?？刹尚灾笖?shù)100%，煤層變異系數(shù)為22.43%，為全井田可采的穩(wěn)定煤層，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 15206 工作面回采的15 號煤層頂?shù)装鍘r性表

該工作面回采所產(chǎn)生的采動壓力，可能對周邊巷道造成一定程度的破壞，在回采過程中需加強(qiáng)對周圍巷道圍巖的礦壓觀測。

2 FLAC3D 數(shù)值模擬建立

根據(jù)龍頂山煤礦15206 工作面地質(zhì)條件及圍巖應(yīng)力情況，工作面以底板右下角為基點建立，模型規(guī)格參數(shù)為：長×寬×高=340 m×200 m×130 m，設(shè)置采空區(qū)寬度為30 m，頭尾順槽寬度為5.0 m，為了降低四周殘余應(yīng)力影響，將頭尾順槽外側(cè)巷幫向兩邊水平移動27 m 為邊界，整個三維模型采用12 000 個單元格構(gòu)成。

為了進(jìn)一步研究不同區(qū)域應(yīng)力集中分布情況，根據(jù)15206 工作面FLAC3D 模擬模型應(yīng)力分布情況（見圖1）可知，15206 工作面頭尾順槽掘進(jìn)后，受水平應(yīng)力影響小，水平應(yīng)力主要集中在回采煤層中部，順槽主要受垂直應(yīng)力影響大。位于非采空區(qū)側(cè)巷道的頂板出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，并形成非對稱應(yīng)力拱，對巷道頂板破壞嚴(yán)重。而采空區(qū)側(cè)巷道由于前期采空區(qū)形成卸壓空間，頂板形成的垂直應(yīng)力集中區(qū)位于巷道煤壁側(cè)肩角煤柱位置，應(yīng)力對頂板影響小。因此，垂直應(yīng)力主要以頭尾順槽為研究對象。

圖1 15206 工作面巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力分布圖

3 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

3.1 頭尾順槽圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

巷道掘進(jìn)過程中破壞了原巖平衡狀態(tài)，受巷道掘進(jìn)擾動影響，圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，并在水平和豎直方向產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)[4-6]。

3.1.1 巷道豎直應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)應(yīng)力分布圖分析可知，15206 工作面的中部以及遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)巷道（回風(fēng)順槽）處于高應(yīng)力范圍內(nèi)，巷道圍巖最大應(yīng)力達(dá)18 MPa，而采空區(qū)側(cè)巷道（運(yùn)輸順槽）相對較低，主要原因是鄰近工作面回采后圍巖應(yīng)力得到了釋放，使15206 運(yùn)輸順槽圍巖應(yīng)力相對較低且均勻。而15206 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)過程中圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，應(yīng)力向回采中部煤層移動，使煤層中部產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)。隨著工作面推進(jìn)，集中應(yīng)力向巷道圍巖釋放產(chǎn)生嚴(yán)重破壞作用，所以，遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)巷道很容易發(fā)生災(zāi)害事故。

3.1.2 水平應(yīng)力分布規(guī)律

15206 工作面中部煤層受力相對均勻，由于受回采后圍巖巖體破斷形成巖塊鉸接結(jié)構(gòu)影響，15206回風(fēng)、運(yùn)輸順槽圍巖所受水平應(yīng)力相對較小。巷道掘進(jìn)后，在一定范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生水平應(yīng)力集中區(qū)，且向回采煤層中部移動。同時，受采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，殘余應(yīng)力以水平應(yīng)力形式向煤層中部延伸，從而使煤層中部形成水平應(yīng)力集中區(qū)。在回采過程中水平應(yīng)力瞬間釋放，很容易產(chǎn)生沖擊地壓，造成底板鼓起、煤體垮落等。

3.2 回采期間應(yīng)力分布規(guī)律

工作面在回采過程中產(chǎn)生擾動影響，從而造成工作面煤體及圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，工作面在回采過程中布置4 個測點分別對回采煤層圍巖水平應(yīng)力、豎直應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，測點分別布置在距工作面150 m、300 m、450 m 和514 m 處。

3.2.1 豎向應(yīng)力集中分布規(guī)律

由圖2-1 可知，工作面在回采過程中煤層所受的豎直應(yīng)力呈減小趨勢，距采空區(qū)越近，豎直應(yīng)力越大，主要原因是工作面回采期間產(chǎn)生超前應(yīng)力區(qū)，同時，受采空區(qū)殘余應(yīng)力影響，形成應(yīng)力集中區(qū)，且15206回風(fēng)順槽平均應(yīng)力大于運(yùn)輸順槽平均應(yīng)力。由此可見，在回采過程中位于采空區(qū)側(cè)煤層所受水平應(yīng)力小，有利于防治沖擊地壓。

圖2 回采期間煤層距采空區(qū)不同位置豎直、水平應(yīng)力變化曲線圖

3.2.2 水平應(yīng)力分布規(guī)律

由圖2-2 可知，水平應(yīng)力主要集中在工作面非采空區(qū)側(cè)，且不同測點處隨著距采空區(qū)距離增加，水平應(yīng)力呈先上升后下降趨勢。在距采空區(qū)25 m 范圍內(nèi)，最大水平應(yīng)力為2.7 MPa，最小水平應(yīng)力為1.4 MPa。在25～60 m 范圍內(nèi)，各個測點處水平應(yīng)力呈整體上升趨勢，最大水平應(yīng)力達(dá)6.0 MPa。在50～150 m 范圍內(nèi)水平應(yīng)力均勻，在150 m 后水平應(yīng)力呈逐漸下降趨勢。由此可見，在回采期間回采煤層距采空區(qū)50～150 m 處水平應(yīng)力最大，即位于回風(fēng)順槽側(cè)煤體很容易受水平應(yīng)力破壞，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域圍巖穩(wěn)定支護(hù)。

4 結(jié)論

龍頂山煤礦通過對15206 工作面建立FLAC3D三維模型，合理分析了回采前頭尾順槽圍巖分布規(guī)律以及回采過程中煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

1）頭尾順槽在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是，位于采空區(qū)側(cè)的巷道由于圍巖應(yīng)力能夠通過采空區(qū)及時卸壓作用，巷道圍巖應(yīng)力場相對較小。而遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)巷道在掘進(jìn)過程中，受采動影響，產(chǎn)生較大的豎直應(yīng)力。因此，需對回風(fēng)順槽圍巖加強(qiáng)支護(hù)。

2）頭尾順槽在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的水平應(yīng)力向煤層中部移動，使回采煤層中部產(chǎn)生集中應(yīng)力區(qū)，工作面在回采過程中在超前應(yīng)力疊加破壞作用下，很容易產(chǎn)生沖擊低壓，回采期間出現(xiàn)底部鼓起、煤壁片幫等，需對回采煤層中部進(jìn)行集中卸壓作用。