不同推采速度下孤島工作面應(yīng)力場(chǎng)變化的模擬研究

陶維國(guó) 姜希印

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272072）

煤炭在開采過程中由于圍巖應(yīng)力的改變會(huì)發(fā)生沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害[1-3]。合理的工作面推采速度的提升不僅可以提升礦井生產(chǎn)效率，還可減輕周期來壓對(duì)煤礦生產(chǎn)帶來的危害（周期來壓步距增加，來壓次數(shù)減少），有助于保持巷道穩(wěn)定性[4-5]。推采速度的增快，會(huì)導(dǎo)致工作面四周圍巖應(yīng)力分布出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，能量持續(xù)積聚，失穩(wěn)及沖擊的危險(xiǎn)性也隨之增加。理論和實(shí)踐表明：工作面推采速度的提高將在很大程度上影響到巷道穩(wěn)定性。眾多學(xué)者通過研究開采速度對(duì)綜放面圍巖力學(xué)特征和采場(chǎng)前支承壓力的影響，得出隨著工作面推進(jìn)速度增加，工作面低應(yīng)力區(qū)和周圍煤巖體破壞區(qū)的范圍以及位移都相應(yīng)減小，而前方支承壓力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值應(yīng)力增大。本文以濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下05工作面為研究對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D軟件，對(duì)不同推進(jìn)速度下該工作面回采過程應(yīng)力場(chǎng)變化、集中區(qū)域分布等規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為不同推進(jìn)速度下確定工作面合理、安全推采速度提供理論參考。

1 工程概況

濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下05回采工作面（見圖1）位于九采區(qū)中部，南到井田邊界煤柱，北到九采輔助膠帶輸送機(jī)巷，西鄰93下06工作面采空區(qū)，東鄰93下03工作面采空區(qū)。工作面中南部上方為九采3上工作面采空區(qū)，地面標(biāo)高+33.31～ +33.45m。工作面走向長(zhǎng)163.75m，傾向長(zhǎng)1594m，工作面平均采深750m，煤層平均厚度為2.67m，傾角約為5°，煤層普氏系數(shù)（f）一般在1.91左右，為軟～中等硬度煤層，且具有強(qiáng)沖擊傾向性。93下05回采工作面為典型的孤島工作面，其開采過程中具有發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的危險(xiǎn)性。

圖1 93下05回采工作面示意圖

圖2 93下05回采工作面開采模擬模型

2 數(shù)值模擬方法及模型建立

2.1 模型建立

基于濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下煤層的實(shí)際情況，利用FLAC3D建立尺寸為1800×800×500m的幾何模型（見圖2）。93下煤層厚度取平均值為2.8m，93上煤層厚度取平均值為1.2m，兩煤層之間巖層厚度為24.9m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模擬無限遠(yuǎn)地質(zhì)狀況，設(shè)定模型的四周及底部邊界位移及加速度為零，采用固定約束。在模型上部施加10MPa的載荷以補(bǔ)償上覆巖層自重應(yīng)力。根據(jù)煤巖層的力學(xué)性質(zhì)，采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則進(jìn)行迭代計(jì)算。

計(jì)算平衡之后，根據(jù)93下05工作面四周條件，模擬開挖93上煤層的7個(gè)采空區(qū)，以及其在93下煤層中的運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽和開切眼。在模型的中間設(shè)置橫貫以聯(lián)通運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，工作面的采終線附近存在通風(fēng)行人巷。

2.2 模擬結(jié)果分析原則

考慮93下煤層所處地質(zhì)狀況的特殊性，根據(jù)對(duì)相同煤層回采過程中礦山壓力的觀測(cè)，結(jié)合其他工作面回采速度的對(duì)比分析，分別以3m/d、5m/d、7m/d、9m/d模擬回采速度。

3 不同推采速度對(duì)采動(dòng)應(yīng)力分布及變化的影響

為了分析不同推采速度（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）對(duì)煤巖層應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布狀態(tài)的影響，現(xiàn)選取相同/相近回采位置進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比分析，觀察回采過程中應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。

（1）回采630m（處于開采保護(hù)區(qū)域之下）

該區(qū)域?yàn)榛夭汕捌冢麄€(gè)回采過程中孤島工作面大部分處于上部煤層開采卸壓保護(hù)區(qū)域之內(nèi)，煤巖層性質(zhì)穩(wěn)定，頂板應(yīng)力變化不明顯。結(jié)合各種開采速度下推進(jìn)的位置，選取回采卸壓區(qū)域中部的位置為研究對(duì)象（x=865m），其具體應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 保護(hù)區(qū)內(nèi)不同推采速度下應(yīng)力分布

從上圖可知，在上部開采保護(hù)層的中間，結(jié)合剖面圖B-B、C-C、D-D進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在開采巷道兩側(cè)不遠(yuǎn)處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在橫貫附近，由于地質(zhì)因素的影響，形成相應(yīng)的卸壓區(qū)域。隨著開采進(jìn)度的不斷推進(jìn)，不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的應(yīng)力分布狀態(tài)有所變化，最大應(yīng)力從17.54MPa、17.65MPa、17.68MPa到17.99MPa進(jìn)行變化。

（2）回采1000m（橫貫影響區(qū)）

隨著工作面的不斷推進(jìn)，進(jìn)入到該區(qū)域時(shí)，處于卸壓保護(hù)區(qū)域的尾部，但還未到達(dá)橫貫區(qū)域。此時(shí)工作面的應(yīng)力分布處于臨界狀態(tài)，與有保護(hù)層作用影響的前期區(qū)域相比，危險(xiǎn)程度有所增加。如圖4所示。

圖4 橫貫影響區(qū)內(nèi)不同推采速度下應(yīng)力分布

從上圖可知，在上部開采保護(hù)層的中間，由于逐步進(jìn)入上部未采煤柱的影響范圍，形成略微明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)于下部煤層開采有著重要的影響。不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的最大應(yīng)力分別為17.66MPa、17.76MPa、17.78MPa到18.03 MPa。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)7m/d的回采速度下的應(yīng)力分布變化明顯，底部應(yīng)力過大。

（3）回采1350m（三角煤柱影響區(qū)域）

回采推進(jìn)越過橫貫后，處于未卸壓區(qū)域，此時(shí)的開采狀態(tài)良好。但是由于前方通風(fēng)行人巷道的影響，使得在停采線前方50m形成了三角煤柱區(qū)域，對(duì)于開采應(yīng)力集中形成較大的影響。對(duì)此，模擬相應(yīng)的地質(zhì)條件，對(duì)不同推采速度下該區(qū)域的應(yīng)力分布云圖（如圖5所示）進(jìn)行分析。

圖5 三角煤柱區(qū)內(nèi)不同推采速度下應(yīng)力分布

綜上所述，在未保護(hù)區(qū)開采時(shí)，由于上覆巖層壓力較大，形成較為明顯的應(yīng)力集中區(qū)域；在未保護(hù)區(qū)開采時(shí)，孤島工作面巷道兩側(cè)附近出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著開采進(jìn)度的變化，不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的應(yīng)力分布狀態(tài)變化明顯，峰值應(yīng)力又有所增加，分別為18.65MPa、18.76MPa、18.86MPa 到 19.76MPa。 從數(shù)據(jù)反應(yīng)來看，相較于1050m處應(yīng)力值，三角煤柱區(qū)域最大應(yīng)力提升顯著，而且在同一位置處，隨著回采速度的增加，峰值應(yīng)力值也不斷增加，變化幅度明顯。

4 基于防沖考慮的安全合理推采速度分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，并結(jié)合煤層地質(zhì)開采條件，確定大小為0.5～0.9的修正系數(shù)，對(duì)模擬出的最佳速度加以修正。當(dāng)工作面處于開采上部保護(hù)層卸壓區(qū)域影響范圍之內(nèi)時(shí)，由于孤島工作面卸壓良好，可選取0.9倍的修正系數(shù)，回采速度可以達(dá)到5～8m/d；當(dāng)工作面推進(jìn)至橫貫影響區(qū)域及未保護(hù)區(qū)時(shí)，綜合考慮到工作面已經(jīng)逐步遠(yuǎn)離上部保護(hù)層卸壓區(qū)域影響范圍且逐步進(jìn)入上部未采煤柱的影響范圍，可確定修正系數(shù)為0.7，回采速度為3～5m/d；當(dāng)處于三角煤柱的影響區(qū)域時(shí)，工作面受上部未采煤柱的疊加影響，使得孤島工作面在該區(qū)域采動(dòng)應(yīng)力過大，集中程度顯著增加，沖擊地壓危險(xiǎn)性明顯增大，不建議繼續(xù)開采。

5 結(jié)論

（1）通過93下05孤島工作面在日進(jìn)尺3m、5m、7m、9m的不同推采速度數(shù)值模擬，得出在不同的推采速度下孤島工作面應(yīng)力場(chǎng)分布及變化情況。在未保護(hù)區(qū)工作面日推采速度為3～7m時(shí)應(yīng)力分布較為均衡，當(dāng)推采速度達(dá)到9m/d時(shí)應(yīng)力分布出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，應(yīng)力集中使得沖擊危險(xiǎn)性增強(qiáng)。

（2）基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合工作面的實(shí)際條件，綜合確定了工作面在上保護(hù)層影響范圍、橫貫影響范圍、無保護(hù)層影響范圍、三角煤柱影響范圍等不同區(qū)域的推采速度。