李 帥，李 鵬，朱 昊，孔憲偉

(陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在礦井開采過程中，圍巖應(yīng)力是引起采場(chǎng)或巷道周圍頂板、底板和煤體的變形、移動(dòng)及破環(huán)等力學(xué)現(xiàn)象的根源[1]。對(duì)于煤層和頂板具有沖擊傾向性的深部開采工作面，研究其“見方”期間覆巖活動(dòng)情況、動(dòng)壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)深部礦井的安全生產(chǎn)和防沖設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在防沖安全性設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了諸多研究。竇林名認(rèn)為[2]多數(shù)礦井的沖擊地壓是由于不合理的開采設(shè)計(jì)造成的，待開采時(shí)沖擊危險(xiǎn)嚴(yán)重，只能采取局部防沖措施進(jìn)行治理，因此應(yīng)將沖擊地壓防治重點(diǎn)放在超前防范上[3]；龐緒峰[4]等推導(dǎo)了工作面彎曲應(yīng)變能簡(jiǎn)化公式，說明了彎曲應(yīng)變能在見方時(shí)最大；譚云亮等[5]研究了頂板見方來壓條件。以上研究對(duì)于沖擊地壓理論的完善具有極其重要的意義，但是目前尚缺乏對(duì)于深部開采工作面見方期間采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律的研究?；诖?，以高家堡煤礦104工作面為背景，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)工作面見方期間的應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行分析，旨在總結(jié)出深部開采工作面見方期間應(yīng)力變化情況過程，確定高應(yīng)力區(qū)域，劃分沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，為進(jìn)行防沖安全性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

104工作面為一盤區(qū)南翼的首采工作面，西部為正在開拓掘進(jìn)的一盤區(qū)1#回風(fēng)大巷，北部為DF2斷層保護(hù)煤柱，南部和北部均無采掘活動(dòng)，附近均為實(shí)炭區(qū)。

104工作面設(shè)計(jì)回采長(zhǎng)度1 193 m，面寬112.5 m，面積約13.42萬m2，開采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組4#煤。工作面范圍內(nèi)4#煤層底板標(biāo)高+71.2～+127.0 m，煤層起伏較大；煤厚5.5～18.2 m，平均厚度10.13 m，傾角8°，煤炭資源儲(chǔ)量188.98萬t。工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 104工作面頂?shù)装迩闆r

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

模型目的：為了全面、系統(tǒng)地反映104工作面掘進(jìn)與回采過程中巷道及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，以高家堡煤礦104工作面地質(zhì)和開采技術(shù)條件為背景，建立FLAC3D三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬分析104工作面采前應(yīng)力分布、回采至一次“見方”、二次“見方”期間工作面的應(yīng)力和位移變化，分析確定高應(yīng)力區(qū)域，總結(jié)回采過程中的應(yīng)力分布規(guī)律，評(píng)價(jià)潛在的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

模型網(wǎng)格：數(shù)值模型以104工作面的綜合地質(zhì)柱狀圖和平面布置圖為基礎(chǔ)，并對(duì)復(fù)雜條件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。數(shù)值分析模型沿走向長(zhǎng)1 300 m，沿傾向?qū)?00 m，高度為121 m。三維模型共劃分有59 800個(gè)單元，66 024個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖1為FLAC3D模型網(wǎng)格圖。

圖1 FLAC3D模型網(wǎng)格圖

模型邊界：為了實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)際吻合，模型上方巖層產(chǎn)生的壓力按靜水壓力大小在模型上邊界施加均布載荷。在模型的頂端施加等效的載荷，將自重力按式(1)計(jì)算。

σV=γH

(1)

式中：γ—覆巖的體積力，25 kN/m3；H—模型頂端距地表的深度，m。

在本次模擬中，模型的最上巖層埋深1 100 m，重力加速度取10 m/s2，故在模型上邊界施加27.5 MPa的等效垂直應(yīng)力載荷。對(duì)于模型計(jì)算邊界條件，首先將模型的四周各邊界均施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0；然后再將模型的底部邊界固定，即底部的邊界水平、垂直位移都為0；最后將模型的頂部設(shè)為自由邊界。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

巖體的破壞判斷：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載荷達(dá)到強(qiáng)度極限后，巖體產(chǎn)生破壞。在峰后塑性流動(dòng)過程中，巖體殘余強(qiáng)度隨著變形發(fā)展逐步減小。因此，計(jì)算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，見式(2)；采用應(yīng)變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)。

(2)

式中：σ1—最大主應(yīng)力；σ3—最小主應(yīng)力；C—粘結(jié)力；φ—摩擦角。當(dāng)fs>0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生抗拉破壞。

計(jì)算參數(shù)選?。焊鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的煤巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，考慮到煤巖體的尺度效應(yīng)，模擬計(jì)算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模型開挖過程

采礦工程的力學(xué)特點(diǎn)與巖體力學(xué)行為、開采歷史和開采過程有關(guān)。為了正確模擬高家堡煤礦104綜采面煤層開采引起的采場(chǎng)周圍應(yīng)力分布和回采巷道的變形情況，首先計(jì)算在給定邊界力學(xué)與位移條件下模型的初始狀態(tài)(初始平衡)；接著，按照實(shí)際開采情況分別開挖模擬開掘104工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷及開切眼；最后，模擬104工作面回采至一次、二次“見方”時(shí)工作面的采動(dòng)應(yīng)力變化，判斷高應(yīng)力區(qū)域，為防沖安全性設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3 回采期間數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 工作面一次“見方”期間模擬結(jié)果分析

垂直應(yīng)力分布：圖2為104工作面回采110 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布圖，此時(shí)回采位置處于“見方”位置。采場(chǎng)周圍應(yīng)力集中程度較高，最大垂直應(yīng)力值為57.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.1，本階段覆巖易出現(xiàn)O-X型破斷。厚而堅(jiān)硬的頂板在破斷過程中會(huì)產(chǎn)生很高的動(dòng)載應(yīng)力，與高靜載疊加容易誘發(fā)沖擊礦壓，因此需加強(qiáng)“見方”階段沖擊礦壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及預(yù)卸壓工作[6-10]。

a-Y=112.5 m；b-Z=28 m圖2 104工作面回采110 m時(shí)垂直應(yīng)力分布圖

塑性區(qū)：圖3為104工作面回采至一次“見方”期間塑性區(qū)云圖。從圖中可以看出，104工作面回采至一次“見方”階段時(shí)，塑性區(qū)分布較小，裂隙帶發(fā)育不明顯，裂隙帶高度為22.5 m，因此可以推斷工作面老頂比較堅(jiān)硬，不容易發(fā)生垮落。

1.1臨床資料 本組重度顱腦損傷患者394例,男241例,女153例,年齡9-78歲,平均年齡44 歲,GCS評(píng)分均在3-8分,其中顱腦外傷257例,腦出血118例,腦腫瘤24例,按入院時(shí)間先后順序分為實(shí)驗(yàn)組198例和對(duì)照組196例,兩組患者一般資料比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)。

圖3 104工作面一次“見方”階段塑性區(qū)云圖

支承壓力變化：圖4為工作面在一次“見方”推進(jìn)期間工作面前方支承壓力變化云圖。由圖可見，在工作面回采前10～110 m階段，工作面整體沖擊危險(xiǎn)性相對(duì)較高，煤壁前方支承壓力峰值出現(xiàn)在煤壁前方5～15 m的位置，其中回采90～110 m期間應(yīng)力值比較大，應(yīng)力峰值最大54.27 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.97。

a-推進(jìn)10 m；b-推進(jìn)50 m；c-推進(jìn)90 m；d-推進(jìn)110 m圖4 一次“見方”推進(jìn)期間工作面前方支承壓力變化云圖

此階段工作面處于一次“見方”垮落階段，104工作面一次“見方”垮落階段圍巖應(yīng)力有所上升；同時(shí)該階段頂板破斷活動(dòng)較為活躍，破斷后釋放動(dòng)載能量，與煤柱內(nèi)圍巖高靜載應(yīng)力疊加后極易誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生。工作面一次“見方”期間需加強(qiáng)沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及卸壓解危力度。

3.2 工作面二次“見方”期間模擬結(jié)果分析

垂直應(yīng)力分布：圖5為104工作面回采223 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布圖。由圖知，隨著工作面開采范圍增加，工作面周圍應(yīng)力逐漸增大，在二次“見方”期間采場(chǎng)周圍峰值達(dá)到67.93 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.47，與一次“見方”相比，應(yīng)力增大了10.3 MPa。

a-Y=223 m；b-Z=28 m圖5 104工作面回采223 m時(shí)垂直應(yīng)力分布圖

塑性區(qū)：104工作面回采接近二次“見方”時(shí)，塑性區(qū)分布較小，裂隙帶發(fā)育不明顯，裂隙帶高度為25 m，與一次“見方”相比幾乎沒有變化，如圖6所示，說明老頂比較堅(jiān)硬，不容易發(fā)生垮落。上覆堅(jiān)硬巖層在回采過程中不能自行充分垮落導(dǎo)致煤體承受壓力較大，應(yīng)加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)，積極采取卸壓措施。

圖6 104工作面二次“見方”階段塑性區(qū)云圖

支承壓力變化：圖7為工作面在二次“見方”推進(jìn)期間工作面前方支承壓力變化云圖。由圖可知，在工作面回采二次“見方”階段，隨著工作面的推進(jìn)，工作面煤壁前方支承壓力峰值總體呈上升趨勢(shì)，支承應(yīng)力峰值總體分布在煤壁前方5～10 m。其中回采190～223 m期間應(yīng)力值比較大，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到60 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.18。

a-推進(jìn)130 m；b-推進(jìn)170 m；c-推進(jìn)210 m圖7 二次“見方”推進(jìn)期間工作面前方支承壓力變化云圖

綜合分析：結(jié)合上述應(yīng)力云圖分析可知，在工作面回采190～223 m階段，此時(shí)工作面處于二次“見方”垮落階段，工作面整體沖擊危險(xiǎn)性相對(duì)較高，圍巖應(yīng)力仍然維持在很高水平，應(yīng)力集系數(shù)較高。同時(shí)該階段頂板破斷活動(dòng)較為活躍，破斷后釋放動(dòng)載能量，與煤柱內(nèi)圍巖高靜載應(yīng)力疊加后極易誘發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生，在工作面二次見方期間需加強(qiáng)沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及卸壓解危力度。

4 回采工作面防沖設(shè)計(jì)

4.1 區(qū)域沖擊地壓監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)手段：采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)104工作面沖擊地壓進(jìn)行區(qū)域性監(jiān)測(cè)，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)及危險(xiǎn)程度，及時(shí)采取措施解除沖擊危險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置滿足精度和監(jiān)測(cè)需要的微震探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面覆巖破裂位置和震動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓或礦震的區(qū)域性預(yù)警。

微震測(cè)點(diǎn)布置：104工作面附近共布置4個(gè)ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)SOS微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)。ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體為：104工作面回風(fēng)順槽安設(shè)1個(gè)拾震探頭，1個(gè)拾震器；104運(yùn)輸順槽安設(shè)1個(gè)拾震探頭，1個(gè)拾震器；SOS微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)：104工作面回風(fēng)順槽安裝2個(gè)拾震探頭，104工作面運(yùn)輸順槽安裝2個(gè)拾震探頭，對(duì)104工作面形成環(huán)狀包圍，如圖8所示。

圖8 104工作面微震監(jiān)測(cè)方案示意圖

微震探頭安裝：工作面推采過程中及時(shí)挪移順槽微震探頭，每當(dāng)探頭距工作面100 m時(shí)向外轉(zhuǎn)移100 m，保證探頭與工作面相距100～200 m有效監(jiān)測(cè)范圍。為提高定位精度，探頭安裝均使用導(dǎo)線點(diǎn)控制。

4.2 局部沖擊地壓監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)依據(jù)：在工作面每隔7個(gè)支架的位置安裝1臺(tái)支架壓力監(jiān)測(cè)站，通過監(jiān)測(cè)工作面內(nèi)支架的工作阻力變化規(guī)律，為評(píng)價(jià)支架支護(hù)效果、支架對(duì)該類頂板的適應(yīng)性以及頂板初次來壓、周期來壓等規(guī)律提供依據(jù)。

順槽頂板離層儀布置：在104工作面2個(gè)順槽自切眼起每隔50 m安設(shè)一個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)頂板下沉情況。

5 結(jié)論

(1)104工作面回采期間整體靜載應(yīng)力較大，在回采至一次、二次“見方”階段時(shí)煤壁中的應(yīng)力值最大達(dá)到7.93 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.47。

(2)從塑性區(qū)分布情況來看，在該頂板和采高條件下，裂隙帶演化高度約為25 m，未達(dá)到地表，所以地表下沉量較小，為未充分采動(dòng)。

(3)104工作面一次“見方”、二次“見方”階段回采時(shí)，工作面整體應(yīng)力較高，頂板破斷后產(chǎn)生動(dòng)載能量更高。因此，應(yīng)在接近“見方”階段時(shí)提前做好解危卸壓工作，降低頂板破斷來壓時(shí)的強(qiáng)度，防止嚴(yán)重動(dòng)力事故發(fā)生。