劉 恒

(晉能控股煤業(yè)集團 四臺礦，山西 大同 037000)

國內(nèi)學術(shù)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(chǎn)區(qū)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(fā)生變形、破壞、沖擊、失穩(wěn)，其本質(zhì)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(qū)域應力集中。目前深部資源開發(fā)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(shù)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(qū)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(jié)構(gòu)煤層，全區(qū)可采，向深部變厚，屬于較穩(wěn)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(qū)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(jié)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(jié)果分析

為了研究工作面回采前后采場周圍應力的變化規(guī)律，結(jié)合77#煤層現(xiàn)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(qū)域分布情況。

3.1 研究平面的選取

應力集中區(qū)域分為豎直應力集中區(qū)域和水平應力集中區(qū)域，在不同的位置會出現(xiàn)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(qū)域分布規(guī)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(qū)域在順槽頂板附近，煤層水平應力集中區(qū)域為上下順槽的兩幫處。因此，在進行集中區(qū)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(qū)域分布

對右四片工作面上下順槽進行數(shù)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(qū)域。

3.2.1 豎向應力集中區(qū)域分布

豎直應力云圖見圖5，監(jiān)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(qū)相鄰，圍巖壓力已經(jīng)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(qū)邊界圍巖應力重新分布，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，應力受采空區(qū)影響越小，采場應力逐漸增大。因此，右四片采場下順槽發(fā)生災害事故的可能性較大。

圖5 豎直應力云圖

圖6 監(jiān)測點上垂直應力圖

3.2.2 水平應力集中區(qū)域分布

水平應力云圖見圖7，監(jiān)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(jié)構(gòu)影響，上下部順槽全長段水平應力均較?。挥捎谟胰煽諈^(qū)的影響，水平應力向煤層內(nèi)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(nèi)水平應力急劇增加，不利于圍巖的穩(wěn)定性。煤層中部水平集中應力很大，易發(fā)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(jiān)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(qū)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(qū)域。

3.3.1 豎向應力集中區(qū)域分布

工作面推進豎直應力云圖見圖9，監(jiān)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(xiàn)先增大后減小的趨勢。受采空區(qū)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(wěn)定，有利于巷道的穩(wěn)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(qū)域分布

右四片工作面推進水平應力云圖見圖11，監(jiān)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(qū)側(cè)上巷壓力呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，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，重點對工作面中部進行卸壓，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12 右四片監(jiān)測點上水平應力圖

4 結(jié) 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(qū)域的分布情況，得出結(jié)論如下：

1)下順槽的開挖導致遠離采空區(qū)的下順槽豎直應力場較大，據(jù)采空區(qū)較遠的順槽發(fā)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(shù)很高，易發(fā)生頂板的冒落、底板隆起以及相關(guān)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(wěn)定。