深部薄煤層開采圍巖應力分布規律研究

劉 恒

(晉能控股煤業集團 四臺礦，山西 大同 037000)

國內學術界提出煤礦深部的概念是700～1 000 m[1]，薄煤層是指煤厚小于1.3 m的煤層[2].我國各大煤炭主產區均賦存有薄煤層，其資源儲量約占煤炭資源總儲量的20.4%[3].埋深1 000 m以下的煤炭資源量占已探明的煤炭資源的53%[4-5].深部巖體之所以發生變形、破壞、沖擊、失穩，其本質原因是地下開采或開挖活動破壞了原巖的原始應力平衡[6]，造成區域應力集中。目前深部資源開發中常伴隨著重大災害事故，難以有效預測與防治，說明深部巖體可能存在著完全異于淺部的巖石力學行為[7]，需要從更新的角度去探索開采后的應力集中情況。本文通過數值模擬、理論分析的手段，研究工作面上下順槽掘進和工作面推進過程中的應力集中區域分布情況。

1 工程背景

新立煤礦77#煤層右四片工作面可采走向長514 m，傾斜長162 m，平均埋深為975 m.該工作面煤層厚度在0.59～1.19 m，平均厚度0.81 m；屬簡單結構煤層，全區可采，向深部變厚，屬于較穩定煤層。煤層傾角21°～23°，平均傾角22°，從外向里逐漸變小。變化梯度均勻，無明顯厚度突變。

2 建立模型

充分考慮右四片工作面采場及上片77#煤層右三片已回采完畢、巷道的應力分布和變化情況，所建立的模型尺寸為：200.33 m×564 m×130 m，選取模型右四片底板右下角為零點，鄰面的采空區寬度30 m，上下順槽為3 m，考慮到應力的影響范圍，上下順槽向外擴展27 m為左右邊界。整個三維模型共劃分8 000個單元，10 099個節點，模型見圖1.

圖1 右四片回采工作面FLAC3D模型圖

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見圖2.

圖2 模型的邊界條件圖

3 模擬結果分析

為了研究工作面回采前后采場周圍應力的變化規律，結合77#煤層現場工作面開采順序，模擬掘進右四片工作面上下順槽、工作面分步開采過程中應力集中區域分布情況。

3.1 研究平面的選取

應力集中區域分為豎直應力集中區域和水平應力集中區域，在不同的位置會出現不同類型和程度的應力集中。為了便于研究不同應力的集中區域分布規律，通過對右四片工作面上下順槽掘進后模型應力分布情況(圖3、圖4)進行分析得出，煤層豎直應力集中區域在順槽頂板附近，煤層水平應力集中區域為上下順槽的兩幫處。因此，在進行集中區域研究時，豎直應力集中以沿煤層傾向巷道頂板平面為主要研究對象，水平應力集中以沿煤層傾向的煤層中部平面為主要研究對象。

圖3 右四片上下順槽掘進后模型豎向應力云圖

圖4 右四片上下順槽掘進后模型水平應力云圖

3.2 上下順槽掘進后應力集中區域分布

對右四片工作面上下順槽進行數值模擬，得出煤層應力云圖和應力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對采掘周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。

3.2.1 豎向應力集中區域分布

豎直應力云圖見圖5，監測點上垂直應力見圖6.由圖5,圖6(以模型工作面長度為橫坐標)可知，煤層中部豎直應力場及下順槽應力場較大，下順槽附近應力最大為19.1 MPa.這是由于右三片工作面煤層開采后，右四片工作面上順槽與采空區相鄰，圍巖壓力已經釋放，順槽附近壓力較低且均勻。下順槽在煤層中掘進，導致采區邊界圍巖應力重新分布，礦山壓力向實體煤側轉移，內部支承壓力明顯升高。離采空區距離越遠，應力受采空區影響越小，采場應力逐漸增大。因此，右四片采場下順槽發生災害事故的可能性較大。

圖5 豎直應力云圖

圖6 監測點上垂直應力圖

3.2.2 水平應力集中區域分布

水平應力云圖見圖7，監測點上水平應力見圖8.由圖7，圖8(以模型工作面長度為橫坐標)可知，煤層中部水平應力分布較平均，受頂板破斷后巖塊鉸接結構影響，上下部順槽全長段水平應力均較??；由于右三片采空區的影響，水平應力向煤層內部延伸，增加了中部位置水平應力的集中程度。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內水平應力急劇增加，不利于圍巖的穩定性。煤層中部水平集中應力很大，易發生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。

圖7 右四片水平應力云圖

圖8 右四片監測點上水平應力圖

3.3 右四片工作面推進過程中應力集中區域分布

由于工作面的推進，對周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。

3.3.1 豎向應力集中區域分布

工作面推進豎直應力云圖見圖9，監測點上垂直應力見圖10.由圖9，圖10可知，隨著工作面的推進，煤層頂板的豎向應力峰值呈現先增大后減小的趨勢。受采空區的影響，上巷平均應力小于下巷的平均應力，且小于原巖應力，上下巷位置附近較穩定，有利于巷道的穩定性和沖擊地壓的防治。

圖9 右四片工作面推進豎直應力云圖

3.3.2 水平應力集中區域分布

右四片工作面推進水平應力云圖見圖11，監測點上水平應力見圖12.由圖11，圖12可知，水平應力主要集中在工作面中部，工作面推進至150 m，水平最大應力達到6 MPa，工作面推進至300 m，水平最大應力達到6.1 MPa，工作面推進至450 m，水平最大應力達到6 MPa，工作面推進至514 m，水平最大應力達到5.9 MPa.鄰面的采空區側上巷壓力呈現逐漸遞減的趨勢，上巷底板壓力較小。下巷壓力范圍及數值保持穩定。綜上所述，重點對工作面中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定。上下巷兩幫壓力較小且穩定，開采過程中安全穩定。

圖12 右四片監測點上水平應力圖

4 結 論

通過對右四片工作面上下順槽、工作面分步開采過程的模擬，分析了深部薄煤層在兩種情況下周圍巖體應力集中區域的分布情況，得出結論如下：

1)下順槽的開挖導致遠離采空區的下順槽豎直應力場較大，據采空區較遠的順槽發生災害事故的可能性較大。

2)上下順槽的開挖造成煤層中部水平應力很大，集中系數很高，易發生頂板的冒落、底板隆起以及相關動力災害。

3)工作面的推進到煤層中部時豎直應力峰值達到最大，此時應加強災害的防治。

4)工作面的推進過程中水平應力主要集中在工作面中部，重點對工作面中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定。