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]。我國各大煤炭主產(chǎn)區(qū)均賦存厚煤層,儲量約占煤炭資源總儲量的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和工作面推進過程中的應(yīng)力集中區(qū)域分布情況。對厚煤層工作面安全高效開釆具有指導(dǎo)意義。
山西寺家莊煤礦生產(chǎn)能力500萬t/a,主采15號煤層,煤層平均厚度5.67 m,近水平煤層,以15115綜采工作面為試驗面,煤層厚度5.8 m,走向長度為3 761 m,傾向長度為275 m,采用綜合機械化走向長壁后退式一次采全高采煤工藝。
充分考慮寺家莊煤礦15115工作面采場及巷道的應(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
為了研究工作面回采前后采場周圍應(yīng)力的變化規(guī)律,結(jié)合寺家莊煤礦15號煤層現(xiàn)場工作面開采順序,模擬掘進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。
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)域為煤層中部。因此,在下文進行集中區(qū)域研究時,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象,水平應(yīng)力集中以煤層中部平面為主要研究對象。
圖3 15115上下巷道掘進后模型豎向應(yīng)力云圖
圖4 15115上下巷道掘進后模型水平應(yīng)力云圖
對15115工作面上下巷道進行數(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巷道周圍巖體進行了擾動,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)力場及下巷道應(yīng)力場較大,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,掘進后導(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,應(yīng)力受采空區(qū)影響越小,采場應(yīng)力逐漸增大。因此,15115采場下巷道發(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)測點上垂直應(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)測線上水平應(yīng)力
由于工作面的推進對周圍巖體進行了擾動,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,隨著工作面的推進煤層頂板的豎向應(yīng)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(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工作面推進豎直應(yīng)力云圖
圖10 15115監(jiān)測點上垂直應(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,工作面推進至150 m,水平最大應(yīng)力達到6 MPa,工作面推進至300 m,水平最大應(yīng)力達到6.1 MPa,工作面推進至450 m,水平最大應(yīng)力達到6 MPa,工作面推進至514 m,水平最大應(yīng)力達到5.9 MPa。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11 15115工作面推進水平應(yīng)力云圖
圖12 15115監(jiān)測點上垂直應(yīng)力
通過對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)致遠離采空區(qū)的下巷道豎直應(yīng)力場較大,距采空區(qū)較遠的巷道發(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)動力災(zāi)害。
3) 工作面的推進過程中水平應(yīng)力主要集中在工作面中部,應(yīng)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。