不同推采速度下孤島工作面應力場變化的模擬研究

陶維國 姜希印

（兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272072）

煤炭在開采過程中由于圍巖應力的改變會發生沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害[1-3]。合理的工作面推采速度的提升不僅可以提升礦井生產效率，還可減輕周期來壓對煤礦生產帶來的危害（周期來壓步距增加，來壓次數減少），有助于保持巷道穩定性[4-5]。推采速度的增快，會導致工作面四周圍巖應力分布出現不均衡現象，能量持續積聚，失穩及沖擊的危險性也隨之增加。理論和實踐表明：工作面推采速度的提高將在很大程度上影響到巷道穩定性。眾多學者通過研究開采速度對綜放面圍巖力學特征和采場前支承壓力的影響，得出隨著工作面推進速度增加，工作面低應力區和周圍煤巖體破壞區的范圍以及位移都相應減小，而前方支承壓力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值應力增大。本文以濟寧二號煤礦93下05工作面為研究對象，運用FLAC3D軟件，對不同推進速度下該工作面回采過程應力場變化、集中區域分布等規律進行數值模擬研究，為不同推進速度下確定工作面合理、安全推采速度提供理論參考。

1 工程概況

濟寧二號煤礦93下05回采工作面（見圖1）位于九采區中部，南到井田邊界煤柱，北到九采輔助膠帶輸送機巷，西鄰93下06工作面采空區，東鄰93下03工作面采空區。工作面中南部上方為九采3上工作面采空區，地面標高+33.31～ +33.45m。工作面走向長163.75m，傾向長1594m，工作面平均采深750m，煤層平均厚度為2.67m，傾角約為5°，煤層普氏系數（f）一般在1.91左右，為軟～中等硬度煤層，且具有強沖擊傾向性。93下05回采工作面為典型的孤島工作面，其開采過程中具有發生沖擊地壓災害的危險性。

圖1 93下05回采工作面示意圖

圖2 93下05回采工作面開采模擬模型

2 數值模擬方法及模型建立

2.1 模型建立

基于濟寧二號煤礦93下煤層的實際情況，利用FLAC3D建立尺寸為1800×800×500m的幾何模型（見圖2）。93下煤層厚度取平均值為2.8m，93上煤層厚度取平均值為1.2m，兩煤層之間巖層厚度為24.9m。根據現場實際情況，模擬無限遠地質狀況，設定模型的四周及底部邊界位移及加速度為零，采用固定約束。在模型上部施加10MPa的載荷以補償上覆巖層自重應力。根據煤巖層的力學性質，采用摩爾-庫倫破壞準則進行迭代計算。

計算平衡之后，根據93下05工作面四周條件，模擬開挖93上煤層的7個采空區，以及其在93下煤層中的運輸順槽、回風順槽和開切眼。在模型的中間設置橫貫以聯通運輸順槽和回風順槽，工作面的采終線附近存在通風行人巷。

2.2 模擬結果分析原則

考慮93下煤層所處地質狀況的特殊性，根據對相同煤層回采過程中礦山壓力的觀測，結合其他工作面回采速度的對比分析，分別以3m/d、5m/d、7m/d、9m/d模擬回采速度。

3 不同推采速度對采動應力分布及變化的影響

為了分析不同推采速度（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）對煤巖層應力場時空分布狀態的影響，現選取相同/相近回采位置進行應力對比分析，觀察回采過程中應力場的變化規律。

（1）回采630m（處于開采保護區域之下）

該區域為回采前期，整個回采過程中孤島工作面大部分處于上部煤層開采卸壓保護區域之內，煤巖層性質穩定，頂板應力變化不明顯。結合各種開采速度下推進的位置，選取回采卸壓區域中部的位置為研究對象（x=865m），其具體應力分布如圖3所示。

圖3 保護區內不同推采速度下應力分布

從上圖可知，在上部開采保護層的中間，結合剖面圖B-B、C-C、D-D進一步發現，在開采巷道兩側不遠處有明顯的應力集中現象。在橫貫附近，由于地質因素的影響，形成相應的卸壓區域。隨著開采進度的不斷推進，不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的應力分布狀態有所變化，最大應力從17.54MPa、17.65MPa、17.68MPa到17.99MPa進行變化。

（2）回采1000m（橫貫影響區）

隨著工作面的不斷推進，進入到該區域時，處于卸壓保護區域的尾部，但還未到達橫貫區域。此時工作面的應力分布處于臨界狀態，與有保護層作用影響的前期區域相比，危險程度有所增加。如圖4所示。

圖4 橫貫影響區內不同推采速度下應力分布

從上圖可知，在上部開采保護層的中間，由于逐步進入上部未采煤柱的影響范圍，形成略微明顯的應力集中區域，對于下部煤層開采有著重要的影響。不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的最大應力分別為17.66MPa、17.76MPa、17.78MPa到18.03 MPa。對比可以發現7m/d的回采速度下的應力分布變化明顯，底部應力過大。

（3）回采1350m（三角煤柱影響區域）

回采推進越過橫貫后，處于未卸壓區域，此時的開采狀態良好。但是由于前方通風行人巷道的影響，使得在停采線前方50m形成了三角煤柱區域，對于開采應力集中形成較大的影響。對此，模擬相應的地質條件，對不同推采速度下該區域的應力分布云圖（如圖5所示）進行分析。

圖5 三角煤柱區內不同推采速度下應力分布

綜上所述，在未保護區開采時，由于上覆巖層壓力較大，形成較為明顯的應力集中區域；在未保護區開采時，孤島工作面巷道兩側附近出現了明顯的應力集中現象。隨著開采進度的變化，不同回采速度下（3m/d、5m/d、7m/d、9m/d）的應力分布狀態變化明顯，峰值應力又有所增加，分別為18.65MPa、18.76MPa、18.86MPa 到 19.76MPa。 從數據反應來看，相較于1050m處應力值，三角煤柱區域最大應力提升顯著，而且在同一位置處，隨著回采速度的增加，峰值應力值也不斷增加，變化幅度明顯。

4 基于防沖考慮的安全合理推采速度分析

根據數值模擬分析結果，并結合煤層地質開采條件，確定大小為0.5～0.9的修正系數，對模擬出的最佳速度加以修正。當工作面處于開采上部保護層卸壓區域影響范圍之內時，由于孤島工作面卸壓良好，可選取0.9倍的修正系數，回采速度可以達到5～8m/d；當工作面推進至橫貫影響區域及未保護區時，綜合考慮到工作面已經逐步遠離上部保護層卸壓區域影響范圍且逐步進入上部未采煤柱的影響范圍，可確定修正系數為0.7，回采速度為3～5m/d；當處于三角煤柱的影響區域時，工作面受上部未采煤柱的疊加影響，使得孤島工作面在該區域采動應力過大，集中程度顯著增加，沖擊地壓危險性明顯增大，不建議繼續開采。

5 結論

（1）通過93下05孤島工作面在日進尺3m、5m、7m、9m的不同推采速度數值模擬，得出在不同的推采速度下孤島工作面應力場分布及變化情況。在未保護區工作面日推采速度為3～7m時應力分布較為均衡，當推采速度達到9m/d時應力分布出現不均衡現象，應力集中使得沖擊危險性增強。

（2）基于數值模擬結果，結合工作面的實際條件，綜合確定了工作面在上保護層影響范圍、橫貫影響范圍、無保護層影響范圍、三角煤柱影響范圍等不同區域的推采速度。