小窯破壞區復采工作面應力分布特征模擬分析

摘 要：針對韓咀煤礦復采工作面的具體地質條件，采用數值計算的方法，對小窯破壞區復采工作面的應力分布特征進行研究。模擬結果顯示，復采工作面前方煤體應力分布不均勻程度較大，不規則采空區對于未回采部位的影響較小，巷道頂板為煤層，垮落步距較近，彈性能的最大值出現在整個回采工作面的邊緣地區。因此，當現場礦壓監測數值出現明顯上升時，應當有意識的制定具有針對性的工作面推進方案及支護措施，保證安全。

關健詞：小窯破壞區；復采；應力分布；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.064

我國早期在煤礦生產方面的法律法規不夠健全，煤礦私挖濫采現象較為嚴重，導致在大型煤礦采區中普遍存在著位置不確定的殘留煤體及采空區。小煤礦開采使用落后的以掘代采或巷柱式采煤工藝，嚴重破壞了煤層的完整性。[1-5]安全高效地復采該部分煤炭資源不僅在一定程度上緩解煤炭資源的緊張供需關系，而且對于減少煤炭資源的浪費、延長礦井壽命及提高經濟效益方面均具有積極的意義[6-8]。

韓咀礦2號煤層由于早年小煤窯生產方式造成了大面積不規則采空區的存在，為下分層煤體的回采造成了極大的困難。為保障韓咀礦的安全高效、高回收率復采，本文針對其具體地質條件，通過數值模擬和理論分析的方法，對小窯破壞區復采工作面壓力分布特征進行分析。

1 工作面地質條件概況

1202工作面是韓咀礦的首采工作面，位于一盤區南部，沿煤層傾向布置，長220m，推進長度550m。煤層傾角2°～8°，一般小于3.5°。煤層厚度5.10～7.79m，平均6.00m，全區煤層厚度變化不大，可穩定開采，一般含0～5層夾矸。頂板多為粉砂巖、泥巖，隔水性能較好，底板多為砂質泥巖，遇水易泥化。鉆孔綜合柱狀如圖1所示。

2 數值模型建立及參數

數值模擬方法可快捷地對煤層開采活動進行研究，模擬結果直觀性強，在煤層開采研究中具有較好的適用性和廣泛性。為此，針對韓咀煤礦當前開采工藝，以物探所得到的工作面附近老空分布規律為基礎，利用數值模擬分析復采工作面的應力分布情況。

2.1 模型建立

根據1202工作面實際地質條件，沿工作面走向取 400m 作為模擬對象，模型沿工作面傾向 220m。模型側面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，模型如圖2所示。

為充分的反映出小窯破壞區不規則分布實際情況，根據工作面前方200m的物探結果（如圖3所示），大致統計采空區面積與模型總面積的比值，得到采空區的程度，在此基礎上建立1202工作面煤體及采空區的空間分布狀況如圖4所示。

2.2 參數設置

計算中采用Mohr-Coulomb準則判斷煤巖體材料的屈服；采用應變軟化模型反映煤體破壞后隨變形發展殘余強度逐步降低的性質。

根據現場地質調查和相關研究提供的巖石力學試驗結果，考慮到巖石的尺度效應，模擬計算采用的巖體力學參數見表1。

3 數值模擬結果及分析

由于小煤窯的開采，破壞了煤層內的原巖應力場，煤層頂板也有不同程度的破碎，為工作面的后續開采帶來了困難。所以掌握小煤窯破壞區復采工作面的應力場極為重要。依據現場生產技術條件，初次放煤為初次來壓后20m位置時，因此首先對工作面進行常規回采，回采高度為2.8m，而后開始模擬放頂回采。

3.1 有無小窯破壞區的對比

當煤體完整無小窯無破壞時，應力分布呈現出較強的規律性，應力變化呈現連續性和漸變性，最大值出現在工作面前方20m范圍內；而存在小窯破壞區時，應力分布具有明顯的不規則性，應力變化也不連續。通過對比可以發現，完整煤層開采時，工作面前方最大垂直應力約為10MPa，而條件相同下小窯不規則破壞區下煤層開采的最大垂直應力則達到了32MPa，約為完整條件下的3倍多。

可以看粗，小窯破壞區下煤層開采應力分布較完整煤層條件下發生明顯的變化，應力分布規律的不規則性以及較大的應力集中系數，增大了煤礦的安全高效生產的難度。

3.2 小窯破壞區復采工作面應力分布特征

由于早年小煤窯生產方式造成了大面積不規則采空區的存在，因此上覆巖層的載荷通過殘留的不規則煤柱傳遞到下方的煤層上，從而造成復采工作面超前壓力集中系數要明顯大于完整煤層的情況。模擬結果顯示，工作面前方垂直應力最大值約為43MPa。煤層開采過后，上方覆巖垮落，集中應力釋放，重新分布，形成較為均勻的分布區，約為5MPa。

3.3 復采工作面能量分布規律

由于集聚在巖體內的彈性能可以通過巖體的變形破斷轉變為變形能、機械能等形式得以釋放，進而引發沖擊礦壓等災害，而且小窯破壞區內殘留煤體的較大應力集中現象可能使下方媒體集聚的彈性能異常增大，因此，有必要了解復采工作面內能量的分布特征，其模擬結果如圖7所示。

煤層開采過后，采空區上方覆巖載荷要向四周煤體內轉移，應力重新分布，形成超前支承壓力和側向支承壓力，較大的圍巖應力使得采空區的四周集聚了較大的彈性能，而工作面前方未采煤體內的彈性能則相對較小。值得注意的是，雖然煤體內能量總體水平較低，但由于上部不規則煤柱造成的應力集中使得局部的彈性能仍然較高，若該部分能量釋放，將有可能造成沖擊傷害，因此，在回采過程中應當有意識的對工作面前方的煤體進行弱化，避免形成彈性能突然釋放的條件，保證安全生產。

4 結論

通過小窯破壞區復采工作面的數值模擬，結果顯示工作面前方的應力值較完整煤體條件下明顯增大，且分布不規則，較高的應力值對于頂煤破碎較為有利，但也應注意較高的應力集中可能引發的沖擊危害。因此，工作面推進過程中，應結合物探及鉆探手段對前方空區分布情況進行確認，礦壓監測數值發生較大程度的上升時，應當有意識的做好準備，制定具有針對性的工作面推進方案及支護措施，保證安全。

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作者簡介：郭占峰（1966-），男，山西臨縣人，學士學位，高級工程師，主要從事煤礦采掘及安全管理等方面的工作。