綜采工作面礦壓規律數值模擬研究在經坊煤礦的應用

文/李廣俊

綜采工作面礦壓規律數值模擬研究在經坊煤礦的應用

文/李廣俊

經坊煤礦八采區3803工作面為大采高綜采工作面，主采煤層為3#煤層，3#煤層為近水平煤層。平均厚度6.1m，普氏系數f為0.5～0.6，直接頂為炭質泥巖，老頂為細粉砂巖，直接底為細粒砂巖。隨著煤礦開采深度的增加，回采巷道圍巖變形量大、支護體變形失效多、巷道斷面收縮嚴重等礦壓顯現強烈，有關深部回采巷道圍巖變形破壞機理及支護技術的研究，越來越成為確保工作面安全高效生產的重要課題。為此，經坊煤礦以3803工作面地質條件為背景，運用數值模擬分析，研究礦壓規律和煤壁失穩機理等，為3803工作面實現安全高效回采提供了技術保障。

一、工作面上覆巖層垮落狀態和頂板垮落步距模擬分析

1.“兩帶”高度模擬分析

經坊煤礦應用3DEC數值模擬軟件對3#煤層綜采工作面頂板垮落狀態進行了模擬分析，最終得出3#煤層開采頂板垮落帶和裂隙帶的大致范圍。

（1）當工作面推進20m時，泥巖直接頂完全垮落，冒落高度為2.42m，裂隙發育區域距離煤層頂板約為8.9m，無頂板彎曲下沉區域。

（2）當工作面推進30m時，厚度為6.5m的砂巖完全垮落，基本頂初次來壓，冒落高度約為9m，裂隙帶發育高度為25.9m，頂板彎曲下沉現象不明顯。

（3）當工作面推進50m時，冒落高度增加到13m，裂隙發育區高度距離煤層頂板為36m，頂板彎曲下沉現象不明顯。

（4）當工作面推進 70m時，冒落高度增加到24m，裂隙高度發育進一步增加，距離煤層頂板約為52m，頂板出現明顯彎曲下沉區域，彎曲下沉區域超過模型大小。

（5）當工作面推進100m時，冒落高度和裂隙高度均沒有大的變化。

綜上分析推斷得出，經坊煤礦3803工作面頂板冒落帶高度約為24m，裂隙帶高度約為52m。

2.頂板垮落步距模擬分析

根據3803工作面推進過程中煤巖層的破壞狀態，可以初步判斷直接頂初次來壓、基本頂初次來壓，以及基本頂周期來壓情況。通過對模擬結果進行分析，當工作面自切眼推進約16m時，直接頂初次來壓，工作面直接頂初次垮落步距約為16m左右；當工作面自切眼推進約32m時，基本頂完成了首次完整的垮落。由此可以判定，工作面基本頂初次垮落步距約為32m，即在32m左右范圍。當工作面推進約50m時，基本頂發生了周期垮落，從而可以判定基本頂周期來壓步距約在18m左右。

二、工作面超前支承壓力和滯后應力狀態分析

1.超前支承壓力分析

通過對FLAC3D建立的3#煤層工作面開采的數值模擬模型計算，可以得出工作面超前支承壓力分布規律。自開切眼開始，隨著工作面不斷推進，超前支承壓力峰值及集中系數呈增大的趨勢，大約在基本頂發生垮落之后才逐漸趨于穩定。且由于煤層傾角不大，工作面不同位置煤體原巖垂直應力相差不大，工作面中部和工作面靠兩幫處超前支承壓力顯現相似。

（1）當工作面推進4m時，工作面超前支承壓力峰值約為14MPa，應力集中系數約為1.4，超前支承壓力影響范圍為16m。

（2）當工作面推進16m時，工作面超前支承壓力峰值約為16MPa，應力集中系數約為1.6，超前支承壓力影響范圍為14m。

（3）當工作面推進28m時，工作面超前支承壓力峰值約為18MPa，應力集中系數約為1.8，超前支承壓力影響范圍為15m。

（4）當工作面推進40m時，工作面超前支承壓力峰值約為19MPa，應力集中系數約為1.9，超前支承壓力影響范圍為17m。

綜上分析推斷得出，經坊煤礦3803工作面超前支承壓力峰值位置距離工作面6～7m左右。

2.滯后應力狀態分析

選擇以開始回采時3803回風順槽和輔助回風巷巷間煤柱沿工作面方向截面為考察對象，分別得到工作面推進不同距離時，煤柱體內的垂直應力分布狀態。

從模擬結果可以看出，煤柱兩側存在應力集中現象。靠3803回風巷側，峰值位置距離3803回風巷約5m；靠輔助回風巷側，峰值位置距離輔助回風巷約3m。同時，比較煤柱兩側峰值大小可以得出，煤柱靠回風巷側峰值略高于靠輔助回風巷一側。此外，隨著工作面的推進，煤柱體內垂直應力峰值先呈現上升的趨勢。受工作面初次來壓的影響，待工作面推進30m左右，煤柱應力峰值略有下降，并在后期保持相對穩定。

圖1 推進不同距離后煤柱應力分布規律

圖1顯示，整個煤柱體內支承壓力呈“馬鞍”狀分布。煤柱體0～8m范圍，處于應力下降區，這是由于受采動影響煤柱體外緣已經發生破壞，承載能力下降。

圖2 滯后影響范圍應力分布曲線

從圖2分析可知，隨著工作面的推進，煤柱中部應力集中程度增加，峰值也隨之增大，峰值的位置也隨工作面推進發生相應轉移。滯后影響支承壓力峰值一般位于工作面煤壁后方約10～14m的范圍內，正常回采時，工作面前方應力集中影響范圍約為75m，工作面后方影響范圍約為50m。

三、推進速度對片幫的影響

為了研究工作面推進速度對煤壁片幫的影響，經坊煤礦采用調節模擬運算時步來間接反映工作面推進速度對煤壁片幫的影響。綜合分析可知，模擬過程中隨著運算時步的增加，工作面前方煤體的水平位移、剪切破壞區、拉伸破壞區均有增加的趨勢，煤體的破壞程度加大，煤體的穩定性降低。運算時步增加間接反映為工作面推進速度的降低。因此，提高推進速度有利于提高煤壁的穩定性，降低煤壁片幫失穩發生的概率。

四、模擬研究結果

1.經坊煤礦3803工作面頂板冒落帶高度約為24m，裂隙帶高度約為52m。直接頂初次垮落步距約為16m左右，基本頂初次垮落步距約為32m，基本頂周期來壓步距約在18m左右。自開切眼開始，隨著工作面不斷推進，超前支承壓力峰值及集中系數呈增大趨勢，大約在基本頂發生垮落之后才逐漸趨于穩定。提高推進速度有利于提高煤壁的穩定性，降低煤壁片幫失穩發生的概率。

2.隨著工作面的推進，煤柱中部應力集中程度增加，滯后影響支承壓力峰值一般位于工作面煤壁后方約10～14m的范圍內，在正常回采時，工作面前方應力集中影響范圍約為75m，工作面后方影響范圍約為50m。

（作者單位：山西省長治經坊煤業有限公司）

（責任編輯：周瓊）