厚煤層開采圍巖應力分布規律研究

鄧燕華

(山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 晉中 045300)

國內學術界提出的厚煤層是指煤厚大于3.5 m的煤層[1]。我國各大煤炭主產區均賦存厚煤層，儲量約占煤炭資源總儲量的40.4%[2].埋深1 000 m以下的煤炭資源量占已探明煤炭資源的53%[3-4].地下巖體之所以發生變形、破壞、沖擊、失穩，其根本原因是地下開采或開挖活動破壞了原巖的原始應力平衡[5]，造成區域應力集中。目前煤炭資源開發中常伴隨著重大災害事故，難以有效預測與防治，需要人們從更新的角度去探索開采后的應力集中情況。

本文通過數值模擬、理論分析的手段，研究了工作面上下巷道掘進和工作面推進過程中的應力集中區域分布情況。對厚煤層工作面安全高效開釆具有指導意義。

1 工程背景

山西寺家莊煤礦生產能力500萬t/a，主采15號煤層，煤層平均厚度5.67 m，近水平煤層，以15115綜采工作面為試驗面，煤層厚度5.8 m，走向長度為3 761 m，傾向長度為275 m，采用綜合機械化走向長壁后退式一次采全高采煤工藝。

2 寺家莊煤礦15號煤層建模

充分考慮寺家莊煤礦15115工作面采場及巷道的應力分布變化情況，建立的模型尺寸為：340 m×200 m×130 m，選取模型15115工作面底板右下角為零點建立，采空區寬度30 m，上下巷道為5 m。考慮到應力的影響范圍，上下巷道向外擴展27 m為左右邊界。整個三維模型共劃分8 000個單元，10 099個節點，模型如圖1所示。

圖1 15115工作面FLAC3D模型

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如圖2所示。

圖2 模型的邊界條件

3 模擬結果分析

為了研究工作面回采前后采場周圍應力的變化規律，結合寺家莊煤礦15號煤層現場工作面開采順序，模擬掘進15115工作面上下巷道、工作面分步開采過程中應力集中區域分布情況。

3.1 研究平面的選取

應力集中區域分為豎直應力集中區域和水平應力集中區域。不同類型的應力集中區域產生的位置有所不同。為了便于研究不同應力的集中區域分布規律，通過對15115工作面上下巷道回采后模型應力分布情況(圖3、圖4)進行分析得出，煤層豎直應力集中區域在巷道頂板附近，煤層水平應力集中區域為煤層中部。因此，在下文進行集中區域研究時，豎直應力集中以沿煤層傾向巷道頂板平面為主要研究對象，水平應力集中以煤層中部平面為主要研究對象。

圖3 15115上下巷道掘進后模型豎向應力云圖

圖4 15115上下巷道掘進后模型水平應力云圖

3.2 15115工作面上下巷道掘進后應力集中區域分布

對15115工作面上下巷道進行數值模擬，得出煤層應力云圖和應力分布曲線。由于上下巷道的開挖對巷道周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。

3.2.1 豎向應力集中區域分布

由圖5、圖6可知，煤層中部豎直應力場及下巷道應力場較大，下巷道附近應力最大為19.1 MPa。這是由于相鄰煤層開采后，圍巖壓力已經釋放，15115巷道附近壓力較低且均勻。下巷道在煤層中掘進，掘進后導致采區邊界圍巖應力重新分布，礦山壓力向實體煤側轉移，內部支承壓力明顯升高。離采空區距離越遠，應力受采空區影響越小，采場應力逐漸增大。因此，15115采場下巷道發生災害事故的可能性較大。

圖5 豎直應力云圖

圖6 監測點上垂直應力

3.2.2 水平應力集中區域分布

由圖7、圖8可知，煤層中部水平應力分布較平均，受頂板破斷后巖塊鉸接結構影響，上下部巷道全長段水平應力均較小。由于采空區的影響，水平應力向煤層內部延伸，大大增加了中部位置水平應力的集中程度。巷道開挖后，頂板、底板一定的范圍內，水平應力急劇增加，不利于圍巖的穩定性。煤層中部水平應力很大，集中系數很高，易發生沖擊地壓，造成頂板垮落、底板隆起。

圖7 15115水平應力云圖

圖8 15115監測線上水平應力

3.3 15115工作面推進過程中應力集中區域分布

由于工作面的推進對周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。

3.3.1 豎向應力集中區域分布

由圖9、圖10可知，隨著工作面的推進煤層頂板的豎向應力峰值呈現先增大后減小的趨勢。受采空區的影響，上巷平均應力小于下巷的平均應力，且小于原巖應力，上下巷位置附近較穩定，有利于巷道的穩定性和沖擊地壓的防治。

圖9 15115工作面推進豎直應力云圖

圖10 15115監測點上垂直應力

3.3.2 水平應力集中區域分布

由圖11、圖12可知，水平應力主要集中在工作面中部，工作面推進至150 m，水平最大應力達到6 MPa，工作面推進至300 m，水平最大應力達到6.1 MPa，工作面推進至450 m，水平最大應力達到6 MPa，工作面推進至514 m，水平最大應力達到5.9 MPa。采空區側上巷壓力呈現逐漸遞減的趨勢，上巷底板壓力較小，下巷壓力范圍及數值保持穩定。綜上所述，重點對工作面中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定。上下巷兩幫壓力較小且穩定，開采過程中安全穩定。

圖11 15115工作面推進水平應力云圖

圖12 15115監測點上垂直應力

4 結 語

通過對15115工作面上下巷道、工作面分步開采過程的模擬，分析了厚煤層在兩種情況下周圍巖體應力集中區域的分布情況，得出結論如下：

1) 上下巷道的開挖導致遠離采空區的下巷道豎直應力場較大，距采空區較遠的巷道發生災害事故的可能性較大。

2) 上下巷道的開挖造成煤層中部水平應力很大，集中系數很高，易發生頂板垮落、底板隆起以及相關動力災害。

3) 工作面的推進過程中水平應力主要集中在工作面中部，應重點對工作面中部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定。