特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究

賈曉峰

(山西汾西新柳煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300)

國內(nèi)外對厚煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了大量研究［1－4］，但對特厚煤層的研究較少。本文以某煤礦為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過對工作面和回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，對特厚煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究，為煤礦的安全生產(chǎn)提供理論指導。

1 工作面概況

某煤礦開采石炭二疊系3#～5#煤層為特厚煤層，煤厚厚度平均為15.3 m。工作面老頂為中細砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粗砂巖，直接底為炭質(zhì)泥巖。開采過程中，出現(xiàn)了工作面回采對臨近巷道的影響作用明顯。8107與8106工作面為相鄰工作面，位置關(guān)系圖見圖1。

圖1 8105、8106工作面位置關(guān)系圖

兩工作面之間留設(shè)有45 m寬的保護煤柱。5107巷為8107工作面的回風順槽，臨近8106工作面采空區(qū)，巷道斷面為矩形，凈寬5 300 mm，凈高3 700 mm，凈斷面9.61 m2。8107工作面自開切眼推進至約250 m后，5107巷距工作面20 m范圍壓力開始顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)片幫、頂板下沉、底鼓、支柱折損、錨桿(索)拉斷等現(xiàn)象，影響了巷道的安全使用。

2 數(shù)值計算模型建立

為確定5107巷圍巖失穩(wěn)的影響因素，依據(jù)5107巷圍巖環(huán)境及實際開采條件建立數(shù)值計算模型。模型長 ×寬 ×高 =700 m×557 m×142 m，共建立624 160個單元，650 465個節(jié)點。模擬內(nèi)容為8106工作面回采前后，隨8107工作面推進5107巷的應力分布情況。模型模擬工作面推進的距離為600 m，每步開挖20 m，共開挖30步。模擬分兩種情況進行，1)8106工作面不開采，確定8107工作面開采對5107巷的影響作用。2)8106工作面已開采，確定5107巷隨8107工作面推進，其巷道圍巖應力的變化情況。

3 特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

3.1 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

1)8106工作面未開采。

8107工作面推進不同位置時工作面超前支承壓力分布情況見圖2。

圖2 81062工作面未開采時超前支承壓力分布圖

由圖2可知，隨著工作面的推進超前支承壓力峰值不斷增大，當工作面推進至200 m時，超前支承壓力峰值達到最大并趨于穩(wěn)定。工作面超前支承壓力影響范圍約為80 m，其中，0～8 m為應力降低區(qū)，8～80 m為應力升高區(qū)，14～18 m為支承壓力峰值區(qū)，應力最大為25～27 MPa;大于80 m后為原巖應力區(qū)。

2)8106工作面已開采。

8107工作面推進不同位置時工作面超前支承壓力分布情況見圖3。

圖3 81062工作面已開采時超前支承壓力分布圖

由圖3可知，當8106工作面回采完畢后，隨著8107工作面的推進超前支承壓力峰值不斷增大，當工作面推進至200 m時，超前支承壓力峰值達到最大并趨于穩(wěn)定。工作面超前支承壓力影響區(qū)域劃分沒有發(fā)生變化，應力峰值變化較大，峰值最大為27～29 MPa，較無鄰近采空區(qū)影響時提高了 11.5% ～12.5%，可見采空區(qū)對8107工作面超前支承壓力的影響是較為明顯的。

3.2 回采巷道圍巖應力分布規(guī)律

8107工作面推進不同距離時位于工作面前10 m和80 m處5107巷的垂直應力峰值情況見表1。

表1 工作面超前支承壓力和巷道圍巖應力情況表

由表1可知，8106工作面已開采時，隨工作面的推進位于工作面前方10 m處的巷道圍巖應力逐漸升高，而位于工作面前方80 m處的巷道圍巖應力變化較小。當工作面推進100 m時，超前工作面10 m和80 m處巷道的垂直應力峰值分別為30.9 MPa和26.4 MPa。當工作面推進300 m時，超前工作面10 m和80 m處巷道的垂直應力峰值分別為40.9 MPa和27.9 MPa。由此可見，受采空區(qū)與超前支承壓力的雙重影響，5107巷的圍巖應力較無采空區(qū)影響時增大明顯，高應力的長期作用將導致圍巖失穩(wěn)。

8106工作面未開采時，隨8107工作面的推進位于工作面前方10 m處的巷道在超前支承壓力的影響下圍巖應力逐漸升高，而位于工作面前方80 m處的巷道圍巖應力變化較小。當工作面推進100 m時，超前工作面10 m和80 m處巷道的垂直應力峰值分別為21.0 MPa和17.1 MPa。當工作面推進300 m時，超前工作面10 m和80 m處巷道的垂直應力峰值分別為24.7 MPa和17.6 MPa。由此可見，5105 巷在無鄰近采空區(qū)影響下，巷道圍巖應力集中程度不高，圍巖能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 特厚煤層綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律綜合分析

將兩種開采條件下的工作面超前支承壓力位置及大小、超前支承壓力影響范圍內(nèi)外的巷道圍巖應力狀態(tài)進行對比，由對比數(shù)據(jù)分析可知:

1)兩種開采條件下，8107工作面在推進200 m后，其超前支承壓力大小及影響范圍趨于穩(wěn)定。超前支承壓力影響范圍在兩種開采條件下不變，均為80 m，其中14～18 m為應力峰值區(qū)。超前支承壓力峰值大小在兩種開采條件下變化明顯，8106工作面未開采時，應力峰值為24～26 MPa;8106工作面已開采時，峰值最大為27～29 MPa，較前者提高了11.5% ～12.5%。工作面前方20 m范圍內(nèi)應力集中明顯，為重點支護區(qū)域。

2)8107工作面前方10 m與80 m處的巷道圍巖應力狀態(tài)在兩種開采條件下變化明顯。當8106工作面開采后，巷道圍巖應力最大值均大于超前支承壓力峰值，說明在鄰近采空區(qū)的影響下，5107巷的圍巖應力不同區(qū)段應力集中程度不同。工作面前方20 m范圍內(nèi)在鄰近8106采空區(qū)及8107工作面回采的雙重采動下，應力集中明顯，巷道圍巖易失穩(wěn)破壞;超前支承壓力影響范圍外的巷道在只受鄰近8106采空區(qū)影響時，圍巖應力較小且趨于平穩(wěn)，巷道易保持穩(wěn)定。

3)基于以上原因，5107巷在工作面推進過程中出現(xiàn)了片幫、底鼓、頂板下沉等現(xiàn)象。建議工作面超前支護距離不小于60 m，其中工作面前方30 m范圍內(nèi)為重點支護區(qū)域，應進行補強支護，提高支護強度。

4 結(jié)論

1)8107工作面在推進200 m后，其超前支承壓力大小及影響范圍趨于穩(wěn)定，超前支承壓力影響范圍為80 m，峰值位置為工作面前方14～18 m。

2)超前支承壓力峰值大小在兩種開采條件下變化明顯，單一采動影響時，應力峰值為24～26 MPa;雙重采動影響時，峰值最大為27～29 MPa，較前者提高了11.5% ～12.5%。

3)在鄰近采空區(qū)條件影響下工作面前方20 m范圍內(nèi)應力集中明顯，為重點支護區(qū)域。

［1］任建喜，孟 昌，占有名，等.厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其支護技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2013(12):64－67.

［2］李振雷，竇林名，蔡 武，等.深部厚煤層斷層煤柱型沖擊礦壓機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(2):333－342.

［3］馬忙利.厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬與現(xiàn)場實測［J］.煤礦安全，2013，44(8):226－228.

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