厚煤層開采圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究

鄧燕華

(山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300)

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界提出的厚煤層是指煤厚大于3.5 m的煤層[1]。我國(guó)各大煤炭主產(chǎn)區(qū)均賦存厚煤層，儲(chǔ)量約占煤炭資源總儲(chǔ)量的40.4%[2].埋深1 000 m以下的煤炭資源量占已探明煤炭資源的53%[3-4].地下巖體之所以發(fā)生變形、破壞、沖擊、失穩(wěn)，其根本原因是地下開采或開挖活動(dòng)破壞了原巖的原始應(yīng)力平衡[5]，造成區(qū)域應(yīng)力集中。目前煤炭資源開發(fā)中常伴隨著重大災(zāi)害事故，難以有效預(yù)測(cè)與防治，需要人們從更新的角度去探索開采后的應(yīng)力集中情況。

本文通過數(shù)值模擬、理論分析的手段，研究了工作面上下巷道掘進(jìn)和工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)力集中區(qū)域分布情況。對(duì)厚煤層工作面安全高效開釆具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

山西寺家莊煤礦生產(chǎn)能力500萬t/a，主采15號(hào)煤層，煤層平均厚度5.67 m，近水平煤層，以15115綜采工作面為試驗(yàn)面，煤層厚度5.8 m，走向長(zhǎng)度為3 761 m，傾向長(zhǎng)度為275 m，采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤工藝。

2 寺家莊煤礦15號(hào)煤層建模

充分考慮寺家莊煤礦15115工作面采場(chǎng)及巷道的應(yīng)力分布變化情況，建立的模型尺寸為：340 m×200 m×130 m，選取模型15115工作面底板右下角為零點(diǎn)建立，采空區(qū)寬度30 m，上下巷道為5 m?？紤]到應(yīng)力的影響范圍，上下巷道向外擴(kuò)展27 m為左右邊界。整個(gè)三維模型共劃分8 000個(gè)單元，10 099個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖1所示。

圖1 15115工作面FLAC3D模型

模型的前后邊界為固定位移約束，模型的左右和上下邊界條件如圖2所示。

圖2 模型的邊界條件

3 模擬結(jié)果分析

為了研究工作面回采前后采場(chǎng)周圍應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合寺家莊煤礦15號(hào)煤層現(xiàn)場(chǎng)工作面開采順序，模擬掘進(jìn)15115工作面上下巷道、工作面分步開采過程中應(yīng)力集中區(qū)域分布情況。

3.1 研究平面的選取

應(yīng)力集中區(qū)域分為豎直應(yīng)力集中區(qū)域和水平應(yīng)力集中區(qū)域。不同類型的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的位置有所不同。為了便于研究不同應(yīng)力的集中區(qū)域分布規(guī)律，通過對(duì)15115工作面上下巷道回采后模型應(yīng)力分布情況(圖3、圖4)進(jìn)行分析得出，煤層豎直應(yīng)力集中區(qū)域在巷道頂板附近，煤層水平應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)槊簩又胁?。因此，在下文進(jìn)行集中區(qū)域研究時(shí)，豎直應(yīng)力集中以沿煤層傾向巷道頂板平面為主要研究對(duì)象，水平應(yīng)力集中以煤層中部平面為主要研究對(duì)象。

圖3 15115上下巷道掘進(jìn)后模型豎向應(yīng)力云圖

圖4 15115上下巷道掘進(jìn)后模型水平應(yīng)力云圖

3.2 15115工作面上下巷道掘進(jìn)后應(yīng)力集中區(qū)域分布

對(duì)15115工作面上下巷道進(jìn)行數(shù)值模擬，得出煤層應(yīng)力云圖和應(yīng)力分布曲線。由于上下巷道的開挖對(duì)巷道周圍巖體進(jìn)行了擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布，形成了應(yīng)力集中區(qū)域。

3.2.1 豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布

由圖5、圖6可知，煤層中部豎直應(yīng)力場(chǎng)及下巷道應(yīng)力場(chǎng)較大，下巷道附近應(yīng)力最大為19.1 MPa。這是由于相鄰煤層開采后，圍巖壓力已經(jīng)釋放，15115巷道附近壓力較低且均勻。下巷道在煤層中掘進(jìn)，掘進(jìn)后導(dǎo)致采區(qū)邊界圍巖應(yīng)力重新分布，礦山壓力向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，內(nèi)部支承壓力明顯升高。離采空區(qū)距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力受采空區(qū)影響越小，采場(chǎng)應(yīng)力逐漸增大。因此，15115采場(chǎng)下巷道發(fā)生災(zāi)害事故的可能性較大。

圖5 豎直應(yīng)力云圖

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)上垂直應(yīng)力

3.2.2 水平應(yīng)力集中區(qū)域分布

由圖7、圖8可知，煤層中部水平應(yīng)力分布較平均，受頂板破斷后巖塊鉸接結(jié)構(gòu)影響，上下部巷道全長(zhǎng)段水平應(yīng)力均較小。由于采空區(qū)的影響，水平應(yīng)力向煤層內(nèi)部延伸，大大增加了中部位置水平應(yīng)力的集中程度。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內(nèi)，水平應(yīng)力急劇增加，不利于圍巖的穩(wěn)定性。煤層中部水平應(yīng)力很大，集中系數(shù)很高，易發(fā)生沖擊地壓，造成頂板垮落、底板隆起。

圖7 15115水平應(yīng)力云圖

圖8 15115監(jiān)測(cè)線上水平應(yīng)力

3.3 15115工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力集中區(qū)域分布

由于工作面的推進(jìn)對(duì)周圍巖體進(jìn)行了擾動(dòng)，應(yīng)力重新分布，形成了應(yīng)力集中區(qū)域。

3.3.1 豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布

由圖9、圖10可知，隨著工作面的推進(jìn)煤層頂板的豎向應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。受采空區(qū)的影響，上巷平均應(yīng)力小于下巷的平均應(yīng)力，且小于原巖應(yīng)力，上下巷位置附近較穩(wěn)定，有利于巷道的穩(wěn)定性和沖擊地壓的防治。

圖9 15115工作面推進(jìn)豎直應(yīng)力云圖

圖10 15115監(jiān)測(cè)點(diǎn)上垂直應(yīng)力

3.3.2 水平應(yīng)力集中區(qū)域分布

由圖11、圖12可知，水平應(yīng)力主要集中在工作面中部，工作面推進(jìn)至150 m，水平最大應(yīng)力達(dá)到6 MPa，工作面推進(jìn)至300 m，水平最大應(yīng)力達(dá)到6.1 MPa，工作面推進(jìn)至450 m，水平最大應(yīng)力達(dá)到6 MPa，工作面推進(jìn)至514 m，水平最大應(yīng)力達(dá)到5.9 MPa。采空區(qū)側(cè)上巷壓力呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，上巷底板壓力較小，下巷壓力范圍及數(shù)值保持穩(wěn)定。綜上所述，重點(diǎn)對(duì)工作面中部進(jìn)行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩(wěn)定。上下巷兩幫壓力較小且穩(wěn)定，開采過程中安全穩(wěn)定。

圖11 15115工作面推進(jìn)水平應(yīng)力云圖

圖12 15115監(jiān)測(cè)點(diǎn)上垂直應(yīng)力

4 結(jié) 語

通過對(duì)15115工作面上下巷道、工作面分步開采過程的模擬，分析了厚煤層在兩種情況下周圍巖體應(yīng)力集中區(qū)域的分布情況，得出結(jié)論如下：

1) 上下巷道的開挖導(dǎo)致遠(yuǎn)離采空區(qū)的下巷道豎直應(yīng)力場(chǎng)較大，距采空區(qū)較遠(yuǎn)的巷道發(fā)生災(zāi)害事故的可能性較大。

2) 上下巷道的開挖造成煤層中部水平應(yīng)力很大，集中系數(shù)很高，易發(fā)生頂板垮落、底板隆起以及相關(guān)動(dòng)力災(zāi)害。

3) 工作面的推進(jìn)過程中水平應(yīng)力主要集中在工作面中部，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)工作面中部進(jìn)行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩(wěn)定。