淺埋深綜放工作面過風氧化帶礦壓規律研究

申文波

（西山煤電集團斜溝礦，山西 呂梁 033600）

綜放工作面正常推進過程中，當穿過特殊的地質構造時，工作面所處圍巖的力學特性會發生很大變化，當遇到斷層、風氧化帶等構造時，圍巖的整體性破壞很嚴重，頂板、圍巖的應力會重新分布，且容易集中，破壞性比較大。過風氧化帶的工作面常常會由于破碎的巖石和黏土等松散物質的存在發生漏頂，使工作面刮板輸送機因附著大量黏土導致故障增多，極大影響工作面安全、高效生產。因此，對于綜放工作面過風氧化帶的頂板礦壓顯現規律的研究十分必要。

1 工程概況

山西省西山煤電斜溝礦1805工作面所在煤層為8#煤下分層，上覆基巖和表土層厚度33.63～154.36m。1805工作面凈寬為238.8m，工作面推進長度為638.9m，煤層厚度為3.3～3.5m，平均厚度為3.4m。

1805工作面直接頂為厚度5.6m的泥巖，偽頂為平均厚度0.1m的炭質泥巖，直接頂的局部夾雜黏土層。

工作面正常推進到490m時，刮板輸送機經常由于過載而發生故障，無法啟動。此時頂板和底板以及煤幫整體比較松軟，極易破壞失穩，因此確定綜放工作面已到達風氧化帶。此時頂板的礦壓規律不明確，液壓支架選型已無法借用原有經驗，施工風險較大，作業人員的安全風險也比較大。為保證工作面生產過程中的安全，確保安全高效的生產，針對綜采工作面過風氧化帶的頂板圍巖礦壓規律的研究迫在眉睫，以達到指導施工的目的。

2 工作面頂板力學模型及應力場分布規律

2.1 力學模型的提出

回采工作面前方超前應力分布規律如圖1（a）所示。工作面在開采過程中，由于工作面前方超前應力的作用，會將工作面煤壁壓碎，形成圖1（a）中的破壞區域A。在距離工作面較遠的煤體內，存在彈性受力區B。由于工作面不斷地靠近風氧化帶，風氧化帶對工作面的影響越來越大，由于承受應力的煤體越來越窄，彈性受力區B越來越小，來自上方圍巖的應力集中現象會更加嚴重，此時應力集中系數k’增加到k。隨著彈性受力區B逐漸減小，在其范圍等于零時，此時工作面煤體處于極限平衡狀態，在風氧化帶與煤體的交界位置應力峰值處于最高水平。此時，在集中應力作用下，工作面圍巖結構容易發生失穩，頂板變形量加大，管理困難，容易發生事故。因此，本文將針對此狀態下工作面壓力最大、頂板最難管理的情況，建立工作面直接頂的力學模型進行分析研究。

圖1 工作面頂板力學模型

根據回采工作面通過風氧化帶時圍巖結構的特征及應力分布規律，建立工作面頂板極限平衡狀態力學模型如圖1（b）所示。模型上邊界為給定變形邊界。在風氧化帶與煤體的交界位置處于極限平衡狀態，通過彈性模量計算公式E=σ/ε得：

式中：

S0-煤體彈性變形量，m；

k-應力集中系數；

H-開采深度，m；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

m-工作面采高，m；

E1-煤層的彈性模量，MPa。

頂板模型下邊界由工作面液壓支架提供支撐力P1，煤體提供支撐力P2；模型的左邊界模擬風氧化帶對頂板造成的影響，可視為連桿約束；模型右邊界模擬采空區，對頂板產生水平支撐力，可視為水平荷載P3。

支架阻力P1計算式如下：

式中：

x-水平方向到風氧化帶距離，x∈[l，L]，m；

F-液壓支架支撐力，kN；

L-控頂距，m；

l-煤體寬度，m。

煤體支承力P2計算：

煤體在垂直應力作用下的狀態包括三個階段：彈性階段、塑性軟化階段、塑性流動階段，在應力極限平衡狀態下可視為彈塑性應變軟化模型。因此在三軸應力條件下，煤體的抗壓強度條件為：

式中：

σ1-最大主應力，MPa；

σ3-最小主應力，MPa；

Kp-三軸系數，即

σl*-煤體殘余強度，MPa。

由于模型右側為采空區，左側為風氧化帶，模型在Y方向受到的應力σy較X方向受到的應力σx大得多，因此可認為σy=σ1=P2，σx=σ3，所以有：

在0≤x≤l的區域，假設P2為線性分布，設方程：

當x=0時，P2=σy=kγH；當x=l時，σx=0代入（4）式得P2=σy=σl*。則P2的表達式為：

式中：

x-水平方向到風氧化帶距離，m；

k-應力集中系數；

H-開采深度，m；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

σl*-煤體殘余強度，MPa；

l-煤體寬度，m。

2.2 風氧化帶附近的應力場

風氧化帶應力分布規律與構造面的強度相對于圍巖強度有關，其附近的應力分布情況可分為:（1）在構造帶內沒有充填物質的情況下，構造帶的最大主應力與構造面趨于平行，如圖2中的情況1；（2）在構造帶內存在與附近圍巖相似的充填物質的情況下，構造帶的最大主應力方向不變，如圖2中的情況2；（3）在構造帶內存在比附近圍巖巖性更加堅硬充填物質的情況下，構造帶的最大主應力與構造面垂直，如圖2中的情況3所示。

圖2 構造附近應力狀態

由于淺埋深工作面內的風氧化帶內部的充填物質比附近圍巖的強度低，因此，為更清楚地掌握風氧化帶構造的應力分布情況，本文采用數值模擬的方法對風氧化帶附近的應力分布規律進行了研究。

本文選用3DEC數值模擬軟件對風氧化帶構造進行模擬研究。建立模型，模型尺寸為：長(X方向)×寬 (Y方向)× 厚 (Z方向)=100 ×100 ×lm。邊界條件：下邊界為法向位移約束yvel=0、左、右邊界施加最大主應力sxx=σ、上邊界施加最小主應力syy=σ、Z方向施加法向位移約束zvel=0。

本文采用3DEC內置的Discontinuity模擬風氧化帶構造面，圍巖力學參數、構造面參數如表1、表2所示。

表1 圍巖力學參數表

表2 斷裂構造面力學參數表

為方便對比研究，本文建立三個構造模型：模型一、模型二、模型三。模型一的構造面內摩擦角=0°，內聚力=0MPa。模型二的構造面內摩擦角=80°，內聚力=0.2MPa。模型3為理想狀態下模型，無構造面。

對模型的最大、最小主應力進行研究分析，模擬結果如圖3、圖4所示。

圖3 最大主應力分布云圖

圖4 主應力方位

通過觀察圖3可以發現：風氧化帶構造會對均勻的應力場產生影響，使風氧化帶的兩側產生應力差，在模型一中，風氧化帶的最大主應力差=5.8MPa；在模型二中，風氧化帶的最大主應力差=2.8MPa。

由圖4可發現：主應力的方向會由于風氧化帶構造的影響而發生偏轉，模型一和模型二中，雖然二者的共同點是越接近風氧化帶偏轉角越大，但是，模型一和模型二的風氧化帶最大主應力偏轉角分別為 0°～60°和0°～30°。

3 結論

（1）在風氧化帶與煤體的交界位置應力峰值處于最高水平。此時，工作面圍巖極容易由于應力集中而失穩，頂板的變形量也加大，對于頂板的管理也比較困難，液壓支架選型也會發生變化，應引起足夠重視。

（2）在對風氧化帶構造應力場的分布規律的研究過程中發現：兩個模型的風氧化帶周圍主應力變化的規律區別較大，模型一、模型二中，主應力分別偏轉0～60°、0～30°，模型一偏轉較大，并且在兩個模型中，風氧化帶周圍的應力場范圍也不同，模型一大于模型二。因此可以推斷，風氧化帶構造內部填充物的物理力學性質對構造周圍的應力場變化有著巨大的影響，填充物的物理力學性質越差，主應力偏轉角度越大，構造應力越復雜。

風氧化帶構造的出現會導致圍巖的整體性破壞，圍巖力學性質發生很大變化，且容易產生應力集中現象，破壞性比較大，由于圍巖整體性差，會導致圍巖內部混入其他物質，而這些充填物質會導致風氧化帶內部的應力場更加復雜，越容易發生事故，更應該引起重視。