高地應力特軟煤層掘進工作面應力場分布規律研究

遲鵬　朱海濤

摘 要：礦井開采深度增加的過程中，采掘工作面的應力場也會發生相應的變化，其中的高地應力的條件下松軟煤層的掘進工作面也會出現一定的變化。本文結合工程實際，簡要分析了高地應力特拉煤車掘進工作面應力場分布的規律理論，并對其分布規律進行了現場測試和數值模擬，并對高地應力高瓦斯壓力特軟煤層掘進工作面進行了突出預測。

關鍵詞：突出預測；應力場分布規律；高地應力

1 分析高地應力特軟煤層掘進工作面應力場分布規律的相關理論

根據巖石蠕變曲線（圖1）可知三條蠕變曲線。根據蠕變試驗結果可知，如果一個較小的恒定荷載持續地對巖石產生作用，那么隨著時間的增長，巖石的變形量也會有所增加。然而隨著時間的增加，蠕變變形的速率也會逐漸減小，最后到達一個穩定的極限值，也就是穩定蠕變。如果具有較大的荷載，那么蠕變就會無限增長，產生典型的不穩定蠕變。應力大小決定了煤巖是發生不穩定蠕變還是發生穩定蠕變。如果應力沒有超過長期強度，那么煤巖就按照穩定蠕變發展，否則就向不穩定蠕變發展。

根據應變力學特征，在高地應力作用下，深部礦井采掘工作面的松軟煤層還沒有達到峰值強度，但是隨著時間的增加變形仍然會不斷增加，直接進入變形階段，這一現象又被稱為靜疲勞現象，也就是煤巖會出現應變軟化。此時工作面前方的應力分布尚未出現峰值區域。例如某煤礦的煤層堅固性系數在0.1-0.2之間，具有比較完整和堅硬的頂底板，從預測指標3m開始，鉆孔深度增加的過程中工作面前方沒有出現明顯的應力峰值。

2 現場測試高地應力特軟煤層掘進工作面應力場的分布規律

2.1 現場檢測原理

由于當前我國尚未有比較成熟的技術手段來對掘進工作面前方的應力場進行有效的測試，本文采用了KSE-Ⅲ型鋼弦測力儀。在工作面前方埋設應力計對工作面前方固定位置的相對應力變化進行檢測，從而對工作面前方的應力分布規律進行反演。將KSE-Ⅲ型鉆孔應力計壓力枕布置在采掘工作面前方煤體內鉆孔中，并且注入液壓油，促使探頭和煤巖耦合，這樣就可以用壓力枕內的液體壓力來表示煤體應力的變化，并將其轉變成為鋼弦振動的頻率信號，再使用專業軟件就可以將其轉換為應力值。但是此時測得的應力值是相對變化值而不是絕對值。具體情況見圖2。

2.2 選擇試驗區域

選擇某高地應力特軟煤層掘進工作面，作為試驗區域。該采面的地面標高是+74-+76m，標高是-460--570m，煤層厚度是2.2-3.5m，埋深是534-615m，煤層走向是W53°N，平均厚度是3.1m，傾角為10°～ 18°，該采面煤巖的堅固系數是0.15-0.50。該采面煤層的直接頂是厚度約7.0m的砂質泥巖，使用煤層頂板掘進把錨網索聯合支護，該采邊的巷道斷面是4300mm×3000mm。該區域就比較簡單的地質結構，瓦斯含量約為20-22m3/t，瓦斯壓力約為1.5-2.0MPa，并且屬于突出危險區。

2.3 分析測試結果

圖3為沿掘進方向轉場的應力發展演化監測曲線。應力計與掘進迎頭的距離為8到13m時，監測數據的波動比較微小。當工作面推進到3-8m時，又一直出現了相對高值，接著又逐漸降低。應力計與巷幫垂距相距6m時，受影響的范圍較小。應力增高區域為掘進工作面正前方的38m，此時無明顯盈利峰值，應力集中系數為1.3。由于試驗工作面頂板具有較好的完整程度和較高的硬度，因此直接進入了蠕變狀態，沒有出現明顯的應力增高區。

3 模擬高地應力特軟煤層掘進工作面應力場分布規律數值

通過離散單元法（ Distinct Element Method）的三維數值模擬程序3DEC數值模擬軟件來對高地應力特軟煤層掘進工作面應力場分布規律數值進行模擬，并建立相應的模型。將17MPa垂直應力加載模型的上部，并且使巷道圍巖的應力進行平衡分布，然后模擬掘進工作面前方應力的分布情況，具體情況見圖4。工作面前方3-8m為巷道前方應力增高區域，沒有出現明顯的應力峰值，應力集中系數為1.05-1.10。

4 結語

在高應力的長期作用下，深部開采煤巖體可能會進入流片狀態，出現比較復雜的應力狀態分布，甚至煤體屈服會直接進入蠕變狀態，表現為應力增高區不出現明顯應力峰值。