龍湖煤礦68#煤層采動過程應(yīng)力分析

單世君

【摘?要】分析沖擊區(qū)域的壓力分布狀態(tài)及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數(shù)情況下，巷道和采面圍巖的應(yīng)力越高越集中，該區(qū)域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發(fā)沖擊地壓。所以，在一定的采掘范圍內(nèi)，分析應(yīng)力集中程度的大小和應(yīng)力的變化對進(jìn)行沖擊危險程度評價，確定沖擊危險區(qū)域，以采取及時的防治措施具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】采動過程;應(yīng)力分布;flac3D數(shù)值模擬

1工作面開采模擬方案

為了更好的研究龍湖煤礦一水平68#煤層的應(yīng)力分布狀況及其規(guī)律，以一水平68#正在開采的軸前左五片工作面為例進(jìn)行數(shù)值模擬，68#煤層進(jìn)行雙翼開采，軸前左五片緊鄰軸后左五片。本煤層軸后下段已回采完畢，斷層帶附近可能引起工作面局部瓦斯升高。臨近無采掘工作面，對工作面無影響。上部20米為67下煤層，煤厚0.59米，不可采;下部10米69煤層，不可采;下部45米為71煤層，未采動，對工作面無影響。因此，為了較為真實(shí)的反應(yīng)左五片工作面和巷道的受力情況，對左五片工作面附近區(qū)域巷道的采掘及工作面工況分別進(jìn)行了模擬。

2龍湖煤礦68#煤層模型建立

（1）計算模型

基于鉆孔柱狀圖和試驗數(shù)據(jù)，考慮到建模的需要，在建立模型時對地層進(jìn)行了簡化。因此，充分考慮左五片工作面采場及其相鄰采空區(qū)、巷道的應(yīng)力分布和變化情況，建立的模型是模型尺寸為：174×300×100m，選取模型左五片底板右下角為零點(diǎn)建立，采空區(qū)寬度30m，上下順槽為5m，考慮到應(yīng)力的影響范圍，下順槽向外擴(kuò)展25m為左右邊界。

整個三維模型共劃分25300個單元31042個節(jié)點(diǎn)。

（2）邊界條件

基于地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，最大水平主應(yīng)力σmax=28.54MPa。隨著埋深的增加，模型Z方向所受到的約束力呈現(xiàn)增加的趨勢，假設(shè)該點(diǎn)在煤層巷道底板處，埋深h為548.8m。

模型水平主應(yīng)力大小為：

模型豎直應(yīng)力為：

由于σv=10.976MPa，巷道底板上部煤巖體參數(shù)是：

根據(jù)頂板巖層分布和巖石密度，則模型頂面豎直應(yīng)力為：

因此，模型的前后邊界為固定位移約束，模型的左右和上下邊界條件見圖1。

3模擬結(jié)果分析

為了研究工作面回采前后采場周圍應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)合龍湖礦68#煤層現(xiàn)場工作面開采順序，模擬掘進(jìn)左五片工作面上下順槽、工作面分布開采過程中應(yīng)力場分布情況。

①研究平面的選取

應(yīng)力集中區(qū)域分為豎直應(yīng)力集中區(qū)域和水平應(yīng)力集中區(qū)域。不同類型的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生的位置有所不同。通過查閱大量的參考文獻(xiàn)：得出，當(dāng)在地層中進(jìn)行開挖時，圍巖進(jìn)行應(yīng)力重新分布，在圍巖的兩幫部位易出現(xiàn)豎向應(yīng)力集中，圍巖頂?shù)撞砍霈F(xiàn)水平應(yīng)力集中。為了便于研究不同應(yīng)力的集中區(qū)域分布規(guī)律，通過對左五片工作面回采后模型應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析得出，分別對左五片工作面上下順槽掘進(jìn)和工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行分析。

為了便于研究不同應(yīng)力的集中區(qū)域分布規(guī)律，通過對左五片工作面上下順槽回采后模型應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析得出，煤層豎直應(yīng)力集中區(qū)域在順槽頂板附近。煤層水平應(yīng)力集中區(qū)域為上下順槽的兩幫處。因此，在下文進(jìn)行進(jìn)行集中區(qū)域研究時，豎直應(yīng)力集中以沿煤層傾向巷道頂板平面為主要研究對象，水平應(yīng)力集中以煤層中部平面為主要研究對象。

②左五片工作面上下順槽掘進(jìn)后應(yīng)力集中區(qū)域分布

對左五片工作面上下順槽進(jìn)行數(shù)值模擬，得出煤層應(yīng)力云圖和應(yīng)力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對采掘周圍巖體進(jìn)行了擾動，應(yīng)力重新分布，形成了應(yīng)力集中區(qū)域。

1）豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布

煤層下順槽豎直應(yīng)力場較大，整體呈現(xiàn)遞減的趨勢。這是由于左五片工作面煤層開采后，上下順槽埋深不同，導(dǎo)致出現(xiàn)了應(yīng)力差。由于軸后左五片采面已回采完畢，頂板巖層基本穩(wěn)定，因此，左五片采場下部應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。

2）水平應(yīng)力集中區(qū)域分布

煤層中部出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，最大值達(dá)到16.5MPa，上部順槽全長段水平應(yīng)力均較小。向煤層內(nèi)部延伸，水平應(yīng)力呈現(xiàn)整體穩(wěn)定的趨勢，應(yīng)力數(shù)值近似相等。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內(nèi)水平應(yīng)力急劇增加，不利于圍巖的穩(wěn)定性。煤層水平應(yīng)力很大，集中系數(shù)很高，易發(fā)生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。

③左五片工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力集中區(qū)域分布

1）豎向應(yīng)力集中區(qū)域分布

隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板的豎向應(yīng)力最大值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。工作面推進(jìn)至90m時，工作面前方應(yīng)力場呈現(xiàn)中部小，兩側(cè)大的趨勢，向著煤體內(nèi)部延伸，應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，停采線附近最小。隨著工作面的推進(jìn)，工作面出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)集中在下巷，隨著工作面推進(jìn)至邊界線后，前后方均出現(xiàn)低應(yīng)力核區(qū)。應(yīng)重點(diǎn)對上下順槽高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行卸壓，防治沖擊災(zāi)害發(fā)生。

2）水平應(yīng)力集中區(qū)域分布

水平應(yīng)力主要集中在煤層中，隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力集中系數(shù)先增大后減小，工作面推進(jìn)至90m，水平最大應(yīng)力達(dá)到15.0MPa，工作面推進(jìn)至180m，水平最大應(yīng)力達(dá)到17.5MPa，工作面推進(jìn)至270m，水平最大應(yīng)力達(dá)到20.8MPa。上下巷水平應(yīng)力較小且小于原始水平應(yīng)力，采空區(qū)側(cè)上巷壓力呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢，上巷底板壓力較小。下巷壓力范圍及數(shù)值保持穩(wěn)定，下巷底板區(qū)域的壓力范圍逐漸減小，但出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4小結(jié)：

①重點(diǎn)應(yīng)對煤層中下部進(jìn)行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩(wěn)定，對下巷底板采取加強(qiáng)支護(hù)，防止底鼓的發(fā)生。上下巷兩幫壓力較小且穩(wěn)定，開采過程中安全穩(wěn)定。

②應(yīng)加強(qiáng)對下部巷道兩幫的保護(hù)，防止片幫，保證下部工作面穩(wěn)定，必要時采取卸壓措施，有利于巷道的穩(wěn)定性和沖擊地壓的防治。

（作者單位：黑龍江省交投礦業(yè)投資運(yùn)營有限公司）