綜放開采上覆巖層應力分布和運移規律研究

陰 鵬 飛

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

1 工程背景

綜采放頂煤開采技術是我國厚煤層開采的主要方法之一，具有巷道掘進工程量小、井下材料節約等一系列優點，但同時會造成采空區遺煤多等問題，其煤炭采出率并不高。深入研究厚煤層綜放開采情況下頂板覆巖應力分布和運移動規律，對提高放頂效率、優化放頂煤技術具有重要的現實參考意義。

圖1 綜放工作面布置示意圖

本文以三元煤礦綜采放頂煤104# 工作面為實際工程背景，該綜放工作面位于5 號煤層，標高+860- 973 m， 平均埋深 400 m。 其煤層傾角為4～11°，平均傾角8°，較為平緩，煤層近水平分布。工作面煤層總厚度約為11 m，走向總長度約為2100 m，傾向總長度190 m。其布置示意圖如圖1 所示。

104# 綜采工作面北側是另一個綜放工作面103#，西側的102#綜放面已經回采完畢，東側的106#采面尚未開始回采。

2 工作面煤巖應力分布數值模擬

2.1 參數選擇及模型建立

為研究回采過程中頂板上覆巖層應力分布和變形運移規律，文中主要從兩個方面對目標綜放工作面模型進行模擬研究。

1）上覆巖層應力沿綜放面傾向的分布情況、塑性區分布情況；

2）上覆巖層垂直應力分布沿煤層走向的分布變化情況。

表1 參數設置表

結合實際工程背景和FlAC3D數值模擬合理需要，將模型長×寬×高分別取值400m×400m×350m，模擬參數設置見表1，模型如圖2 所示。

圖2 模型圖

2.2 數值模擬分析

圖3 為綜放面推進30 m 時候，工作面中部上覆巖層塑性破壞區分布例圖，整體而言綜放面的上、中、下不同部位的覆巖塑性破壞區分布基本相似，不存在大的差別，范圍均為6 m 左右，但隨工作面繼續推進，應力逐漸在工作面前方和采空區部位集中。

圖3 模型應力塑性區分布圖

圖4 為模型垂直應力分布云圖，由圖4 可以看出受采動影響，綜放面下部區域應力較為集中，礦壓顯現較中、上部區域明顯，這是由于其下部的702 采空區造成的圍巖的側向應力與放頂開采采動應力相互疊加，造成更大程度的應力集中。

圖4 垂直應力分布區域圖

隨綜放工作面的開采推進，應力集中在工作面前方覆巖和采空區覆巖處明顯凸顯。由圖5 可以看出，應力最高峰值約為8MPa，出現在距煤壁距離約9m處。采動應力影響的范圍大約為30m 左右。

而隨工作面繼續推進，應力峰值逐步降低且趨于平緩，應力集中范圍縮小，采動影響超前距離有所減小，影響范圍區域較為穩定。

圖5 工作面頂板巖層超前壓力分布

3 現場實測

3.1 測量方法及測點布置

為驗證模擬方法的科學適用性，本文對工作面上覆巖層實際位移量進行測量，驗證采動應力在上覆圍巖的集中分布情況。測量思路是在頂板中布置鉆孔，安裝逆止爪，隨著工作面的推進可以記錄頂板和頂煤距煤壁的總位移。所布置鉆孔直徑60 mm，間距6 m，共6 個，鉆孔內部布置設點，從工作面大約120 m 處開始布置，鉆孔示意圖見圖6。

圖6 鉆孔測點布置圖

3.2 實測結果分析

將6 個鉆孔的6 個測點分為3 個基站組，每個基站組包含2 個測點，所測得數值取平均范圍，會縮小測量結果的誤差。圖7 為測點分組后測得的覆巖實際運移量。由圖7 可以看出，3 組測點所測得工作面上覆巖層受采動影響開始運移的位置均為距工作面距離30 m 左右處位置，位移量最大的位置均出現在采空區后方約8.5 m 處，均與前文數值模擬結果吻合。由圖7 還可以看出，上覆巖層最大位移達分別為375mm、425mm、575mm 左右。

圖7 位移觀測圖

4 結 論

1）工作面推進30m 左右時，綜放面的上、中、下不同部位的覆巖塑性破壞區分布基本相似，不存在大的差別，破壞范圍均為6m 左右。

2）受采動影響，綜放面下部區域應力較為集中，礦壓顯現較中、上部區域明顯，這是由于下部702 采空區造成的圍巖的側向應力與放頂開采采動應力相疊加所造成的。

3）通過在頂板鉆孔安裝測點，測得覆巖實際運移量。結果顯示綜放面上覆巖層受采動影響開始運移的位置均出現在為距工作面距離30m 左右處位置，位移量最大的位置出現在采空區后方約8.5m 處，上覆巖層最大位移達分別為375 mm、425 mm、575 m，實測結果與Flac3D數值模擬結果一致。