綜放工作面旋轉處圍巖力學特性數值模擬研究

張純如

(淮南礦業(集團)有限責任公司謝橋煤礦， 安徽淮南市 232001)

綜放工作面旋轉處圍巖力學特性數值模擬研究

張純如

(淮南礦業(集團)有限責任公司謝橋煤礦， 安徽淮南市 232001)

根據試驗工作面工程地質與生產技術條件，利用數值模擬軟件對旋轉綜放工作面推進過程中圍巖力學特性進行了模擬計算，分析了煤層應力的分布規律，為綜放工作面推進過程中過特殊地質構造時回采巷道合理支護方案的制定與實施提供了理論依據。

綜放工作面;圍巖力學特性;數值模擬

在厚煤層綜放和大采高開采時，由于一次開采煤層厚度的增加，導致開采擾動范圍增大和圍巖力學特征發生相應變化，對厚煤層的安全高效開采有重要影響。為了研究采場巷道布置方向的改變所引起的巷道變形與破壞、采場應力的改變等圍巖力學特性的變化，同時為了確定合理的回采巷道支護方案，根據具體開采技術條件，采用數值模擬方法對旋轉綜放工作面圍巖力學特征的影響進行了研究。

1 工作面地質條件

工作面走向長度為1240～1260 m，傾向長度為140～144 m，平均 142 m，煤層平均厚度 3．63～11．32 m，平均厚度為8．51 m，機采高度為2．2 m，放煤高度6．31 m，采放比為1:2．868。機巷標高為－268．6～ －281．6 m，風巷標高為 －254．9 ～－279．3 m，切眼標高為 －268．6 ～ －268．6 m。

2 工作面煤層應力分布規律的數值模擬

根據綜放工作面的地質與生產技術條件，采用大型非線性三維數值計算軟件(FLAC 3D)對工作面圍巖力學特性進行數值模擬研究。

2．1 煤層最大主應力分布規律的數值模擬研究

煤層開采時一般采用非對稱開采，即下工作面在上工作面的采空區側開采，上工作面開采形成的應力集中轉移到下工作面，由此在采空區側的工作面煤體形成高的應力集中，同時模擬綜放面特殊的布置方式，工作面推進方向有一定的旋轉，回采巷道的布置也有一定的旋轉，在巷道拐角處會形成較高的應力集中。

地下巖體一般處于三向應力狀態，其中最大主應力對巖體的破壞起到關鍵的作用。當最大主應力σ1達到巖石的極限應力時，巖石就會發生剪切或其他形式的破壞。圖1為工作面距拐角(旋轉處)不同距離時煤層內最大主應力的分布。

由圖1可知，工作面在拐角前推進時，在拐角處產生應力集中，最大應力集中發生在工作面距拐角15 m的機巷拐角處(σ1=12．2 MPa)。風巷拐角處的應力集中發生在上側實體煤內，而機巷拐角的應力集中發生在拐角內側的實體煤中，前者的集中程度比后者的集中程度低。

工作面煤體內的主應力分布集中程度和分布方式隨工作面相對于拐角的位置不同而變化。總體上應力值由工作面上部至下部呈升高的趨勢，在工作面中上部，應力較小且分布較廣;在工作面下部，應力值相對較高且分布較窄。

計算結果表明，拐角處的應力集中系數不是常數。工作面從開切眼處開始向拐角推進的過程中，其兩巷的應力集中程度逐漸升高，但是在工作面距拐角前5 m處開始，應力集中程度有個突降，應力數量級從107降低到106，說明工作面距拐角前較近的距離時，拐角處應力集中的程度是降低的。

由圖1可知，在工作面推進的過程中，工作面下隅角前始終存在高的應力集中。風巷拐角處上側實體煤在工作面推進的全過程中始終伴隨較高的應力集中。

2．2 工作面傾向煤層內垂直應力分布規律

圖2為沿工作面傾向不同推進位置處工作面前方煤層中支承壓力的分布曲線。由于上區段開采重新壓實區應力重新分布、本工作面采動超前支承壓力以及工作面拐角區域性應力集中的影響，工作面傾向支承應力的分布規律為:工作面下部應力集中程度高于工作面上部應力集中程度，工作面整體應力分布呈現工作面下部至上部逐漸遞減;隨工作面距拐角處距離的減少，不同推進位置工作面煤層內應力集中程度逐漸增加，在拐角處形成劇烈的應力集中，工作面下部煤層應力的增加幅度明顯大于工作面上部煤層應力的增加幅度;臨近工作面內煤層應力集中又逐漸降低。

圖1 工作面煤層內最大主應力場

圖2 沿傾向不同位置處煤層垂直應力分布

2．3 工作面走向煤層內垂直應力分布規律

圖3給出了工作面在不同推進位置時工作面上部、中部、下部、下側煤柱、上側實體煤的垂直應力分布曲線。

從圖3中可以看出，當工作面推進位置距拐角的距離由35 m減少到0 m過程中，工作面下部前方煤體內垂直應力由2個應力峰值曲線形式逐漸轉變為典型的單峰值超前應力曲線形式，同時最大峰值逐漸增加，推進位置距拐角處35，25，15 m時對應的二次峰值數值為 19．4，20．7，23．5 MPa，最大峰值出現的位置和工作面的位置逐漸減少，峰值位置對應的位置依次為44，32，20 m。從峰值位置中可以看出，二次峰值都是發生在拐角之后附近的煤體內。其主要的原因是煤層開采引起的應力重新分布、上區段煤層開采重新壓實引起的應力重新分布以及工作面拐角區域性應力集中三者的疊加。當工作面推進位置距離拐角較遠時，拐角的區域應力影響范圍與超前支撐壓力劇烈影響區范圍沒有重合，從而形成了超前支撐壓力曲線存在雙峰值的特征，隨著推進位置逐漸接近拐角處，兩者的影響區域逐漸重合。由圖3可以判斷其拐角的影響范圍為拐角前40 m。

工作面中部前方支承應力曲線不存在雙峰值特征，說明拐角應力集中影響具有明顯的區域性。工作面推進位置在臨近拐角的過程中，其峰值數值以及其距工作面的位置變化不明顯。

工作面上部前方支承壓力曲線特性以及變化過程與工作面下部支承壓力曲線的特性和變化過程是類似的。其支承壓力曲線存在雙峰值特征，其第一峰值較工作面下部支承壓力曲線第一峰值的數值大，第二峰值的比較特性與之相反，上部支承應力第二峰值距工作面的位置較下部略為靠前。

工作面下側煤柱走向超前支承應力的曲線形式不隨工作面推進位置距拐角的距離的改變而變化。在不同的推進位置的情況下，其煤柱走向超前支承應力的分布規律為:拐角前數值較拐角后的數值大，在拐角前8 m處有1個應力集中，且隨著位置的變化，其峰值以及峰值位置變化不明顯(數值基本穩定在12 MPa左右，峰值位置在拐角前8 m)。當工作面推進位置距拐角8 m處，工作面煤壁側的煤柱內垂直應力達到其應力峰值。

圖3 沿走向不同位置處煤層垂直應力分布

工作面上側實體煤走向超前支承應力曲線形式不隨工作面推進位置距拐角的距離的改變而變化。在不同的推進位置的情況下，其上側實體煤走向超前支承應力的分布規律為:拐角前實體煤內的走向垂直應力小于拐角后實體煤內走向垂直應力;實體煤內走向垂直應力在拐角處有較高的應力集中，數值達到 15．5 MPa。

3 結論

根據試驗工作面具體的地質與生產技術條件，借助FLAC 3D軟件對旋轉綜放工作面推進過程中煤層內最大主應力、沿工作面傾向及走向煤層內的垂直應力等圍巖力學特性進行了數值模擬，經分析得出以下結論:

(1)工作面在拐角前推進時，在拐角處產生應力集中，最大應力集中發生在工作面距拐角15 m的機巷拐角處(σ1=12．2 MPa)，風巷拐角處的應力集中發生在上側實體煤內;

(2)工作面傾向支承應力的分布規律是:工作面下部應力集中程度高于工作面上部應力集中程度，工作面整體應力分布呈現工作面下部至上部逐漸遞減;

(3)工作面下部與上部前方煤體內垂直應力由2個應力峰值曲線形式逐漸轉變為典型的單峰值超前應力曲線形式，工作面中部前方支承應力曲線不存在雙峰值特征，工作面下側煤柱及上側實體煤走向超前支承應力的曲線形式不隨工作面推進位置距拐角的距離的改變而變化。

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2010－11－15)

張純如(1965－)，男，高級工程師，總工程師，從事煤礦生產技術及管理工作。