李 明 龔 鈺

（1.河南能源化工集團(tuán)禹州棗園煤業(yè)有限公司，河南 禹州 452570；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來(lái)，隨著煤炭高強(qiáng)度大規(guī)模的開(kāi)采，布置超長(zhǎng)工作面已逐漸成為中厚煤層實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必然趨勢(shì)[1]。然而，工作面長(zhǎng)度的增加勢(shì)必會(huì)對(duì)采空區(qū)覆巖破斷特征產(chǎn)生影響[2-3]，并引起礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的改變，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)新的難題。

部分研究表明，超長(zhǎng)工作面的礦壓顯現(xiàn)與普通工作面礦壓顯現(xiàn)存在顯著區(qū)別。超長(zhǎng)工作面周期來(lái)壓步距小，來(lái)壓持續(xù)距離短且礦壓顯現(xiàn)較劇烈[4-5]；工作面周期來(lái)壓步距與工作面長(zhǎng)度呈反比，來(lái)壓強(qiáng)度則與工作面長(zhǎng)度成正比關(guān)系[6]。王生彪等[7]通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)工作面回采及末采期間來(lái)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)來(lái)壓步距、強(qiáng)度與面長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)工作面頂板支護(hù)進(jìn)行指導(dǎo)。煤層厚度對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巖層移動(dòng)變形規(guī)律存在一定的影響，金寶圣[8]利用數(shù)值模擬分析了基本頂?shù)膹澢?、破斷、失穩(wěn)全過(guò)程，模擬得出基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓步距為60～70 m，周期來(lái)壓步距約為25 m。相較于200 m 以?xún)?nèi)的工作面長(zhǎng)度，煤層厚度使得超長(zhǎng)工作面頂板管理難度大，需要強(qiáng)有力的支護(hù)策略保持端面頂板及煤壁圍巖穩(wěn)定性[9]。超長(zhǎng)工作面回采對(duì)頂板及煤壁造成破壞的同時(shí)，對(duì)底板破壞與損傷呈現(xiàn)了新的特征?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[10]表明，超前工作面底板擾動(dòng)深度為22～27 m?；诔L(zhǎng)工作面來(lái)壓強(qiáng)、步距短的周期來(lái)壓特點(diǎn)，眾多學(xué)者進(jìn)行支架選型及加強(qiáng)支護(hù)形式的研究。秦小云等[11]針對(duì)支架承載中部受力強(qiáng)、兩端受力較小的特點(diǎn)，進(jìn)行掩護(hù)式支架承載特性的研究；王國(guó)法等[12]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，分析了超長(zhǎng)工作面來(lái)壓頻率、峰值和范圍，提出了單架控制-組控制-群控制三級(jí)協(xié)同控制方案；范志忠等[13]采用超長(zhǎng)工作面頂板狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了頂板來(lái)壓位置、持續(xù)時(shí)間及來(lái)壓強(qiáng)度的模式識(shí)別；王傳兵等[14]采用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等方法對(duì)兩巷煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行了研究，兩巷超前深孔、工作面煤壁淺孔超前預(yù)注漿等措施進(jìn)行煤壁防片幫治理；張開(kāi)智等[15]針對(duì)超長(zhǎng)工作面綜放開(kāi)采下的頂梁支架阻力進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，通過(guò)對(duì)頂梁支架上的載荷分布進(jìn)行敏感性分析，通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)頂梁載荷分布的控制。超長(zhǎng)工作面回采引起煤炭回采率的增加，對(duì)超長(zhǎng)工作面設(shè)備選型提出新要求，唐永志等[16]將液壓支架及刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)的割煤速率進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，滿足工作面實(shí)際生產(chǎn)能力，同時(shí)確定支架合理支護(hù)強(qiáng)度，選用特定支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)效果良好。綜上分析可知，厘清中厚煤層超長(zhǎng)工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)工作面安全開(kāi)采有著重要的影響。

本文以陳四樓煤礦2803 超長(zhǎng)工作面回采為工程背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)中厚煤層超長(zhǎng)工作面采動(dòng)過(guò)程的走向超前支承壓力、側(cè)向超前支承壓力及煤壁側(cè)向支承壓力時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 概況

陳四樓煤礦2803 工作面位于八采區(qū)，主要回采二2 煤層。工作面呈東西方向布置，南邊為已開(kāi)采的2802 工作面采空區(qū)，北邊為未開(kāi)采的2804 工作面實(shí)體煤。工作面埋深約750 m，走向長(zhǎng)度約1300 m，工作面斜長(zhǎng)約367 m，屬于典型超長(zhǎng)工作面。工作面南邊為2802 工作面；西為巖漿巖侵入?yún)^(qū)；東為八采區(qū)皮帶巷、八采區(qū)軌道巷、八采區(qū)回風(fēng)巷；北為未開(kāi)采的2804 工作面實(shí)體煤。

圖1 2803 超長(zhǎng)工作面布置圖（m）

工作面回采煤層為二2 煤層，煤層平均厚度為2.65 m，煤層特征為灰黑～褐黑色，玻璃光澤，以亮煤為主。直接頂為深灰色泥巖，平均厚度3.84 m，含菱鐵質(zhì)及植物化石碎片，有大量黃鐵礦薄膜，局部有較多煤屑；基本頂為灰白色中砂巖，顆粒為粗-細(xì)-粗結(jié)構(gòu)，成分以石英、長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，微斜層理發(fā)育，裂隙充填方解石，局部泥質(zhì)團(tuán)塊較多，呈不規(guī)則分布，平均厚度13.28 m；直接底為灰黑色泥巖，灰黑色，含碳化、植物根部化石碎片，下部具層理并含粉砂巖條帶和黃鐵礦薄膜，平均厚度4.67 m。根據(jù)實(shí)際揭煤情況，工作面煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 中厚煤層超長(zhǎng)工作面數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 工作面應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空演化特征數(shù)值模型

根據(jù)煤層柱狀圖及工作面布置情況，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件，研究超長(zhǎng)工作面回采時(shí)工作面的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，Mohr-Coulomb 模型屬于理想彈塑性模型，能較好地反映材料在彈塑性階段的受力變形特征，且針對(duì)大模型有較高的計(jì)算效率。模擬超長(zhǎng)工作面回采過(guò)程，考慮邊界效應(yīng)，建立500 m×300 m×80 m 的超長(zhǎng)工作面回采模型，模型共有網(wǎng)格約203 萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)約219 萬(wàn)個(gè)。模型底部及四周為固定邊界，頂部為自由應(yīng)力邊界。根據(jù)煤層埋深及巖層分布情況，模型頂部施加上覆巖層自重應(yīng)力16.1 MPa。各巖層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 工作面超前支承應(yīng)力場(chǎng)分布特征

在模型煤層頂板上z=23.7 布置y軸方向測(cè)線，工作面中心位置為（250，30，23.7），監(jiān)測(cè)距離工作面中心x方向0 m、40 m、80 m、120 m 的應(yīng)力，開(kāi)挖30 m 后計(jì)算平衡。模型計(jì)算平衡后，通過(guò)模擬結(jié)果輸出不同方案下工作面超前應(yīng)力云圖，分析工作面開(kāi)采對(duì)超長(zhǎng)工作面超前應(yīng)力分布影響。支承應(yīng)力分布如圖2。

圖2 工作面不同位置處超前應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖2 工作面不同位置處超前應(yīng)力分布規(guī)律可知，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工作面距離的增大，超前支承應(yīng)力先增大后減小，且在工作面前方11 m 處取得峰值26.84 MPa，其應(yīng)力集中系數(shù)為1.534；然后急劇減小，至25 m 減少至21.20 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至原巖應(yīng)力17.5 MPa。290 m 測(cè)線時(shí)，工作面前方壓力由4.16 MPa 開(kāi)始急劇增加，距離11 m 時(shí)升至峰值27.24 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.557；然后急劇減小，至25 m 減少至21.16 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至原巖應(yīng)力17.5 MPa。330 m測(cè)線時(shí)，工作面前方壓力由4.27 MPa 開(kāi)始急劇增加，距離11 m 時(shí)升至峰值27.05 MPa，至93 m 處減少至原巖應(yīng)力17.5 MPa 后趨于平緩。370 m 測(cè)線時(shí)，工作面前方壓力由4.05 MPa 開(kāi)始急劇增加，距離11 m 時(shí)升至峰值27.08 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.547；然后急劇減小，至25 m 減少至22.85 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至17.8 MPa 后趨于平緩。410 m 測(cè)線時(shí)，工作面前方壓力由4.01 MPa 開(kāi)始急劇增加，距離11 m 時(shí)升至峰值27.87 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.593；然后急劇減小，至25 m 減少至22.82 MPa；再緩慢減小，至90 m 處減少至18.5 MPa 后趨于平緩。

工作面應(yīng)力分布曲線如圖3 所示，圖中x=0 為工作面中心處。由圖3 可知，工作面超前支承應(yīng)力總體呈現(xiàn)先急速增大后逐漸減小最后趨于平衡的規(guī)律。分析可知，工作面超前支承應(yīng)力受采動(dòng)影響可分為以下三個(gè)階段：無(wú)采動(dòng)影響階段：支承壓力在煤壁前方90 m 以外的范圍趨于原巖應(yīng)力，無(wú)明顯變化；弱采動(dòng)影響階段：支承壓力在煤壁前方25～90 m 范圍內(nèi)緩慢采動(dòng)；采動(dòng)影響劇烈階段：支承壓力在煤壁前方0～11 m 急劇上升，在11～25 m 距離內(nèi)快速下降，其峰值應(yīng)力集中系數(shù)為1.251～1.593。即工作面開(kāi)采引起的超前應(yīng)力擾動(dòng)范圍約為90 m，其中工作面前方25 m 范圍內(nèi)屬于影響強(qiáng)烈區(qū)。

圖3 超長(zhǎng)工作面應(yīng)力分布曲線

2.3 工作面傾向支承應(yīng)力場(chǎng)分布特征

為進(jìn)一步研究超長(zhǎng)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布特征，對(duì)工作面前方5 m、10 m、15 m、30 m、60 m 處實(shí)體煤的傾向應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，具體如圖4。

圖4 工作面前方各處的垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖4 工作面前方不同位置的垂直應(yīng)力分布特征可知，工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，應(yīng)力集中區(qū)主要集中在巷道兩側(cè)10～15 m 范圍。距工作面0～15 m 范圍內(nèi)，工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布的變化較大；距工作面30 m 之后工作面中間區(qū)域應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力。

為進(jìn)一步明確超長(zhǎng)工作面傾向支承應(yīng)力分布規(guī)律，在模型煤層頂板上z=23.7 布置x軸方向測(cè)線，監(jiān)測(cè)距工作面前方5～90 m 的應(yīng)力分布情況。具體如圖5。

圖5 工作面傾向應(yīng)力分布

由圖5 可知，工作面傾向支承應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小最后趨于平緩的變化特征，工作面兩端呈對(duì)稱(chēng)分布。由巷道向工作面方向，工作面應(yīng)力在0～10 m 范圍內(nèi)急劇增加；隨著距工作面距離的增大，峰值應(yīng)力先增大，后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，應(yīng)力集中系數(shù)在10～25 m 內(nèi)逐漸減少，25 m 之后變化不大。由巷道向煤壁側(cè)9 m 距離內(nèi)，應(yīng)力急劇增大至峰值點(diǎn)，距離9～12 m 時(shí)逐漸減少，距離超過(guò)12 m之后趨于定值。工作面?zhèn)认驊?yīng)力隨距工作面距離呈現(xiàn)出先急劇增大，再緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定。

2.4 煤壁側(cè)向支承壓力

在模型煤層頂板上z=23.7 布置x軸方向測(cè)線，對(duì)超長(zhǎng)工作面前方不同位置的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并繪制工作面前方實(shí)體煤的側(cè)向應(yīng)力分布圖，如圖6 所示。其中圖6 的原點(diǎn)位置為進(jìn)風(fēng)巷左幫處。

圖6 工作面左側(cè)煤體應(yīng)力分布

由圖6 可知，煤體垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)先急劇增大后逐漸減少最終趨于穩(wěn)定的變化特征。垂直應(yīng)力隨著相對(duì)煤壁距離的不同大致分為三個(gè)區(qū)域：0～11 m 范圍內(nèi)應(yīng)力急劇增長(zhǎng)區(qū)，且應(yīng)力值迅速增大，在11 m 處增加到最大值26.843 MPa（應(yīng)力集中系數(shù)1.53）；11～16 m 范圍內(nèi)應(yīng)力由峰值逐漸降低，且減少曲率逐漸趨于平緩，該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力遞減區(qū)；當(dāng)距離煤壁距離大于25 m 后，垂直應(yīng)力約等于原巖應(yīng)力，進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。隨著工作面距離的變化，工作面左側(cè)煤壁中應(yīng)力曲線無(wú)明顯變化，即工作面左側(cè)煤壁受工作面開(kāi)采影響較小。

3 結(jié)論

1）在工作面前方，隨距工作面前端距離的增大，超前支承壓力呈先急速增大后逐漸減小最后趨于平衡的趨勢(shì)。煤壁前0～11 m 支承壓力急速增加，11～25 m 支承壓力快速下降，25～90 m 支承壓力逐漸減小，90 m 后支承壓力趨于平衡。

2）工作面超前支承應(yīng)力受采動(dòng)影響可分為三個(gè)階段，即無(wú)采動(dòng)影響階段、弱采動(dòng)影響階段、采動(dòng)影響劇烈階段。煤壁前90 m 以外的范圍趨于原巖應(yīng)力區(qū)，屬于無(wú)采動(dòng)影響階段；25～90 m 范圍屬于弱采動(dòng)影響階段；0～25 m 范圍屬于采動(dòng)影響劇烈階段。

3）工作面前方傾向支承應(yīng)力呈先增大后減小最后趨于平緩的趨勢(shì)。巷道向煤壁側(cè)方向0～10 m范圍內(nèi)應(yīng)力急劇增加，10～25 m 應(yīng)力逐漸減小。

4）煤體垂直應(yīng)力呈先急劇增大后逐漸減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。0～11 m 范圍內(nèi)應(yīng)力急劇增大，在11 m 處達(dá)到峰值約為26.843 MPa，11～16 m 范圍內(nèi)應(yīng)力逐漸降低，25 m 后應(yīng)力約等于原巖應(yīng)力，受煤層開(kāi)采擾動(dòng)影響較小。