李健偉

(山西大同煤礦集團(tuán)有限公司 煤峪口礦，山西 大同 037003)

為緩解礦井接續(xù)緊張局面、降低煤層自燃風(fēng)險(xiǎn)，采區(qū)內(nèi)通常采用跳采方式回采，這樣就會(huì)形成一個(gè)兩側(cè)、三側(cè)，甚至四側(cè)采空的工作面，這類工作面稱之為孤島工作面[1-2]。由于工作面煤體處于多處采空區(qū)支承應(yīng)力范圍內(nèi)，煤體應(yīng)力重復(fù)疊加，造成煤體應(yīng)力升高區(qū)范圍加大，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，誘發(fā)工作面沖擊礦壓[3-5]。煤峪口礦8605工作面為煤峪口礦406盤區(qū)規(guī)劃的工作面，其北部和南部分別為8603采空區(qū)和8607采空區(qū)，該工作面屬于孤島工作面，工作面開采14-2號(hào)煤層，煤層平均厚度2.5 m，平均傾角2°，屬近水平煤層，煤層頂板和底板巖層以砂巖和頁巖為主，工作面采用綜合機(jī)械化采煤，采煤機(jī)型號(hào)MG300/700-WD，液壓支架型號(hào)ZZS-6000/17/37，刮板機(jī)型號(hào)SGZ-764/400，工作面長度179.9 m，推進(jìn)長度540 m。

1 孤島綜采面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布

煤體應(yīng)力是影響工作面礦壓顯現(xiàn)的重要因素之一，為分析孤島綜采面應(yīng)力分布特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行煤峪口礦孤島綜采面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布的研究，模型尺寸長、寬、高分別為400 m、400 m、300 m。模擬時(shí)簡化模型尺寸，工作面模擬長度90 m，模擬推進(jìn)長度270 m，模型四周和底部固定位移，上部施加均勻載荷模擬覆巖重力。

圖1給出了試驗(yàn)工作面單側(cè)采空下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖。如圖1所示，煤層應(yīng)力升高區(qū)主要位于采空區(qū)四周，可以明顯看出，工作面走向方向兩側(cè)的采動(dòng)應(yīng)力大于工作面前后，兩側(cè)煤層鄰近采空區(qū)時(shí)應(yīng)力較小，遠(yuǎn)離采空區(qū)后應(yīng)力迅速增加至應(yīng)力峰值，應(yīng)力值約21.0～23.0 MPa，之后迅速降低至原巖應(yīng)力，應(yīng)力值約10.0 MPa。

圖1 單側(cè)采空下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

圖2給出了試驗(yàn)工作面兩側(cè)采空下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖。如圖2所示，與單側(cè)采空采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布類似，煤層應(yīng)力升高區(qū)主要位于兩側(cè)采空區(qū)四周，可以明顯看出，工作面走向方向兩側(cè)的采動(dòng)應(yīng)力大于工作面前后，兩側(cè)煤層鄰近采空區(qū)時(shí)應(yīng)力較小，遠(yuǎn)離采空區(qū)后應(yīng)力迅速增加至應(yīng)力峰值，應(yīng)力值約24.0～27.0 MPa，相比單側(cè)采空采動(dòng)應(yīng)力增加了3.0～4.0 MPa，之后迅速降低至原巖應(yīng)力，對(duì)比圖1和圖2可知，受重復(fù)采動(dòng)影響，雙側(cè)采空應(yīng)力升高區(qū)范圍大于單側(cè)采空。

圖2 雙側(cè)采空采動(dòng)下應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

圖3給出了模擬開采40 m、150 m、260 m時(shí)期試驗(yàn)工作面下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，如圖所示，工作開采40 m范圍時(shí)(模擬開采初期)，應(yīng)力場(chǎng)分布近似呈馬鞍狀，工作面中部前方煤層應(yīng)力峰值在約20.0 MPa，工作面端頭處煤層應(yīng)力峰值達(dá)30.0 MPa；工作開采150 m范圍時(shí)(模擬開采中期)，采動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)力升高區(qū)范圍明顯增大，工作面中部前方煤層應(yīng)力峰值超過了30.0 MPa，工作面端頭處煤層應(yīng)力峰值超過了40.0 MPa；工作開采260 m范圍時(shí)(模擬開采末期)，煤層應(yīng)力峰值在約35.0 MPa，同比模擬開采初期應(yīng)力有所增加，模擬開采末期有所減小。

圖3 工作面回采采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

2 支架適應(yīng)性分析

2.1 支架工作阻力校核

采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核支架工作阻力。工作面合理支護(hù)強(qiáng)度Q應(yīng)滿足式(1)。

Q=HrK

(1)

式中:H為工作面采高，r為頂板巖層容重；K為支架承載覆巖厚度與采高之比，這里取H=3.3 m，r=2 500 N/m3，K=5。經(jīng)計(jì)算工作面合理支護(hù)強(qiáng)度Q=412.5 kN/m2，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的支架初期來壓時(shí)平均支護(hù)強(qiáng)度約580 kN/m2，因此校核時(shí)取較大的支護(hù)強(qiáng)度。

根據(jù)公式(2)將支護(hù)強(qiáng)度Q換算為支架工作阻力P。

P=Q(Lk+Ld)B

(2)

式中，Q為支架支護(hù)強(qiáng)度，Lk為頂板巖層斷裂距離，Ld為頂板巖層梁體結(jié)構(gòu)長度，B為支架寬度，這里取Q=580 kN/m2，Lk=0.3 m，Ld=5.24 m，B=1.5 m。經(jīng)計(jì)算支架工作阻力P=4 820 kN，與ZZS-6000/17/3型液壓支架的額定工作阻力6 000 kN相比，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)所需的支護(hù)強(qiáng)度，表明選型的合理性和可靠性。

2.2 支架受力分析

在8605工作面選取端部和中部各5架液壓支架作為測(cè)站，監(jiān)測(cè)工作面回采時(shí)的液壓支架受力情況，表1給出了工作面礦壓觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，位于端部和中部的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有所不同。回采初期，位于端部區(qū)域的支架受力相對(duì)于工作面中部區(qū)域較小，同時(shí)，由于回采初期支架調(diào)整緩和了覆巖活動(dòng)，導(dǎo)致工作面初次來壓較小，工作面初次來壓步距為41.1 m，初次來壓強(qiáng)度15.8 MPa，初次來壓后，工作面每推進(jìn)15.0～25.0 m出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。回采中期，周期來壓強(qiáng)度22.3 MPa，工作面中部區(qū)域來壓現(xiàn)象更為明顯，周期來壓步距約為21.7 m?；夭赡┢?，周期來壓強(qiáng)度19.8 MPa，總體看，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與綜采面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布特征相互對(duì)應(yīng)。

表1 工作面礦壓觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 語

孤島綜采面受多處采空區(qū)支承應(yīng)力影響，工作面礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。研究了單側(cè)采空下、雙側(cè)采空下采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布特征，受重復(fù)采動(dòng)影響，雙側(cè)采空應(yīng)力升高區(qū)范圍和應(yīng)力峰值均大于單側(cè)采空，分析了本工作面初期、中期、末期回采時(shí)的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布特征和支架受力情況，分析表明由于開采中期采動(dòng)跨距相對(duì)較大，采動(dòng)影響最為明顯，總體看，支架受力和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布相互吻合。