特厚煤層綜放工作面采動應力演化規律研究

竇曉劍

(大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037000)

東周窯礦開采特厚煤層厚度為15m，工作面上部賦存有多層堅硬砂巖。特厚煤層由于開采空間大，覆巖運動范圍大，覆巖運動持續時間長，增加了工作面開采難度[1-4]。為了研究特厚煤層綜放開采礦山壓力顯現的特殊性，本文采用數值模擬方法，研究特厚煤層工作面開采過程中的工作面圍巖應力演化規律，為工作面安全開采提供理論指導。

1 特厚煤層采動應力數值模型建立

依據東周窯礦8106與8105工作面的相互位置關系，利用FLAC3D軟件建立數值計算模型，研究工作面推進過程中采動應力場分布規律。模型長×寬×高=700×600×150m（圖1），共建立648960個單元，683995個節點。各煤巖層力學參數見表1。

表1 煤巖層力學參數

圖1 工作面走向模型圖

2 特厚煤層采動應力數值分析

圖2～圖4為工作面推進不同位置時頂板應力分布圖，表2為工作面推進不同位置超前支承壓力峰值情況。由圖可知，當工作面推進至200m時(工作面見方，即工作面采空區頂板懸露距離與工作面長度相當)，超前支承壓力峰值達到最大26.8MPa。采空區見方階段，上覆堅硬厚巖層在回采過程中由于巖層運動積聚了大量的彈性能量，同時下位堅硬巖層的斷裂轉移上來的水平應力也都聚集在高位硬巖層上，造成工作面礦壓顯現明顯。

工作面推進至390～410m (第二次見方)、575～610m(第三次見方)時，超前支承壓力峰值再次達到最大。隨著工作面推進，支承壓力的變化循環反復。模擬結果顯示，當工作面見方時，工作面超前支承壓力峰值最大，工作面采動應力場的變化受采空區尺寸的影響。

表2 8106工作面推進過程超前支承壓力峰值情況

圖5為支承壓力峰值的變化曲線，由圖可知，工作面推進至見方位置（推進200m、400m和600m）時，超前支承壓力峰值升高，推過見方位置應力降低，第一次見方前方支承壓力最大，達到了26.8MPa；隨著工作面的繼續推進，見方時超前支承壓力雖有升高，但已不明顯。由工作面側向支承壓力變化曲線可知，隨著工作面推進，側向支承壓力峰值不斷升高，不受工作面見方與否的影響，當工作面推進400m后側向支承壓力開始大于超前支承壓力，當工作面推進距離大于500m后側向支承壓力達到最大值并趨于穩定，應力值為27.5MPa。現場5105巷礦壓顯現明顯開始于8106工作面推進517.8～525.2m時，數值模擬結果與其相吻合，8106工作面推進距離超過500m，側向支承壓力達到最大，對5105巷的圍巖穩定造成明顯影響。

圖2 8106工作面推進200m時頂板應力分布

圖3 8106工作面推進410m時頂板應力分布

圖4 8106工作面推進610m時頂板應力分布

圖6為8106工作面5105巷幫5m處垂直應力變化曲線。由圖可知，隨工作面推進距離的增加，5105巷的煤柱側幫中垂直應力在不斷增大，并且當8106工作面推進500m后，其工作面后方120～260m之間5105巷的煤柱側幫中的垂直應力最大，最大值為25～26MPa，在高應力的作用下，5105巷的圍巖穩定性將受到較大的影響，導致巷道變形明顯。

圖5 工作面超前支承壓力與側向支承壓力變化曲線

圖6 采空區范圍煤柱中垂直應力分布

3 特厚煤層工作面礦壓顯現綜合分析

通過現場礦壓數據統計及數值模擬結果，8106工作面礦壓顯現特征及對鄰近5105巷礦壓顯現的影響作用表現為：

（1）推進距離與工作面長度相當時（“見方”），頂板的運動與破壞對工作面超前支承壓力的影響明顯，應力峰值升高明顯；當工作面推進距離大于500m后，采空區頂板的運動對煤柱中的應力分布影響明顯，并且工作面后方120～260m為最大影響區域，應力最大為25～26MPa，該區域緊隨工作面的推進，此高應力范圍是引起5105巷劇烈變形的主要原因之一。采空區懸露頂板每次“見方”時，覆巖都要達到充分采動周期，此時覆巖的劇烈運動，形成的礦山壓力較大，影響范圍較大，造成鄰近工作面回采巷道礦壓顯現明顯，圍巖變形破壞嚴重。

（2）8106工作面上覆堅硬厚層頂板不易垮落，懸頂時積聚能量，3～5#煤層厚層堅硬頂板積聚的彈性勢能的突然釋放對5105巷形成強烈震動與沖擊。8106工作面堅硬頂板彈性勢能釋放引起的沖擊、巖層運動形成的垂直方向的壓力及側向的擠壓力影響與控制著5105巷的礦壓顯現。

4 結論

（1）推進距離與工作面長度相當時（“見方”），頂板的運動與破壞對工作面超前支承壓力的影響明顯，應力峰值升高明顯，應力最大為25～26MPa，此高應力范圍是引起5105巷劇烈變形的主要原因之一。

（2）當工作面推進距離大于500m后，工作面后方120～260m范圍應力集中明顯，應力最大達到25～26MPa。

（3）8106工作面堅硬頂板彈性勢能釋放引起的沖擊、巖層運動形成的垂直方向的壓力及側向的擠壓力影響與控制著5105巷的礦壓顯現。