官地礦3#煤層采空區底板應力分布對8#煤層工作面回采影響分析

王二斌

（西山煤電官地礦生產調度中心，山西 太原 030022）

1 28416工作面地質概況

西山煤電集團有限公司官地礦井田28416工作面地質構造復雜，水文地質條件復雜，蓋山厚度150～458m，平均厚度304m。對8#工作面安全回采影響因素主要有8#煤地質特征及煤層性質、斷層、陷落柱及3#煤采空區。

1.1 8#煤地質特征及煤層性質

8#煤整體呈褶皺構造，西北側向斜構造，軸向76°，兩翼傾角3～20°；中部為向斜構造，軸向38°，兩翼傾角約7°；東側為背斜構造，軸向69°， 兩翼傾角約5°。8#煤層老頂為灰巖含水層，回采過程中在向斜軸部，遇地質構造及頂板裂隙帶時會有淋水滲出。8#煤工作面瓦斯絕對涌出量8m3/min，屬于高瓦斯礦井，8#煤塵爆炸指數13.36%；煤塵爆炸指數13.51%。煤層自燃傾向性：8#煤層為Ⅱ類自燃煤層；9#煤層為Ⅲ類不易自燃煤層。8#煤層之間間距、傾角及采區劃分詳見表1。

表1 8#、9#煤層特征表

1.2 斷層及陷落柱情況

該面掘進過程中揭露落差0.40～5.00m的正斷層16條，預計工作面回采過程中工作面內還將揭露落差0.70～2.20m的正斷層8條。掘進過程中揭露陷落柱共計12個，其中最大陷落柱面積11508m2，最小陷落柱面積459m2，其余絕大多數陷落柱面積在2000～7000m2。

1.3 3#煤采空區分布情況

工作面井下跨越中四、南四采區，工作面四周為未采區，上部為23416、23418、16407及23414工作面采空區。采空區煤柱50m，形態大小差異很大，3#煤采空區處理采用全部垮落法。采空區積水量共計13600m3，對回采造成一定影響。3#與8#煤層間距約58.49m，預計回采至采空區低洼處時可能有少量積水沿采空裂隙滲出，影響礦井安全生產。

2 28416工作面生產概況

28416工作面設計可采走向長1438m，正巷設計長度為1705m，副巷設計長度為1771 m，采長198m；8#煤層平均厚度3.71m（可采），9#煤層平均厚度3.02m，8#與9#聯合開采平均厚度6.73m；煤層傾角0°～20°；工作面正巷、副巷均采用矩形斷面：凈寬4.20m，凈高3.00m；切眼采用矩形斷面：凈寬8.50m，凈高3.00m。

工作面采用傾斜長壁后退式采9#煤放8#煤綜采低位放頂煤綜合機械化采煤方法，采放比1:1.23。采9#煤時，若8#、9#煤層間距小于1.00m時，采取跟頂跟底一次采全高。若8#、9#煤層間距大于1m或9#煤頂板較堅硬時，采取破頂跟底開采，破頂后9#煤頂板厚度不小于500mm。（破頂開采時必須制定專項技術措施）若破頂后采高超過3.50m時，采取留底煤破頂開采，保證采高不高于3.50m、不低于3.00m。

3 3#煤采空區底板應力分布對8#煤回采影響

3#號煤層開采后形成的采空區，對8#煤工作面回采影響主要體現在3#號煤底板應力分布影響，同時采空區積水、積氣也對工作面回采造成安全隱患。因此，本文主要通過理論分析和數值模擬分析兩種方法探討3#煤層的底板應力分布對8#煤工作面回采影響。

3.1 理論分析3#煤采空區底板應力分布特征

3#煤工作面回采必然對煤層底板應力和巖性造成一定影響。開挖前，屬于原巖應力區，開挖后由于支承應力與原巖應力相互疊加，形成了應力集中區。形成采空區后，屬于卸壓區。底板巖層受到破壞形式主要有剪切和拉伸破壞，其破壞區深度通過理論計算可得。

式中：

γ-上覆巖層容重，取2.2×104kN/m3；

H-埋深，m；

L-工作面長度，取120m；

R-巖體單軸抗壓強度，MPa。

經過計算得出3#煤底板破壞區7.66m，裂隙區11.49m，由于工作面回采底板影響深度為19.15m。并結合3、8#煤層間距58.49m，因此分析可知，3#煤工作面采空區對8#煤采空區穩定性影響有一定影響，但影響不大。

3.2 數值模擬3#煤采空區底板應力分布特征

根據28416回采工作面實際地質情況及生產概況，工作面長度取198m，工作面采深取304m，3號煤層根據開采情況視為采空區， 3#與8#煤層間距約58.49m。本文采用數值模擬軟件進行數值模擬分析3#煤采空區對8#煤層工作面回采影響。

由于井下開挖開采，主要涉及粘土塊狀巖體，因此選取摩爾—庫倫模型。根據開采影響范圍，上邊界采用應力邊界，取3#煤上方50m。下邊界取位移固定邊界，取8#煤下方30m，左右采取位移邊界。數值模型采用重力加載，待加載平衡后，采取井下開挖。由于礦井采空區采用全部垮落法，因此開挖模型采用NULL模型，其模擬分析結果如下，通過HIST命令設置監控點，結果如下表2。

本文監測了采空區底板40m應力分布特征。在0～3m內，應力最小，處于卸壓區，主要是由于煤體破損。其后3～20m內，由于原巖應力和支承應力相互疊加，導致應力集聚升高，應力最大值26.95MPa，應力集中系數2.3，其后20～30m，其應力逐步降低，但是應力比較大。30～40m，屬于原巖應力區，應力分布特征如表2和圖1所示。

4 結論

本論文以28416回采工作面地質概況及開采技術為研究背景，采用理論分析法和數值模擬分析法分別對3#煤采空區底板應力進行研究分析，得出：

（1）本文主要從3#煤采空區底板應力分布特征進行分析，重點分析了3#煤采空區對8#煤工作面影響，3#煤采空區范圍內應力影響范圍最大距離19.15m，對8#煤工作面回采影響不大。

（2）28416回采工作面區域內地質結構復雜，有大量小斷層，斷層附近多為泥巖、破碎的粉砂巖。在實際回采過程中，容易成為導水通道，因此實際開采過程中應加強28416回采工作面探放水。

表2 采空區底板應力分布表

圖1 采空區底板應力分布與底板下方距離關系（m）圖