工作面回采前后圍巖應力分布規律研究

張 陽

（山西高平科興龍頂山煤業有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

隨著我國煤炭生產技術水平的提高，礦井生產能力不斷增加。據統計，目前我國回采煤層厚度在3.5 m以上的煤炭資源占煤炭總儲量的41.2%以上，煤層埋藏深度在1 000 m 以上的煤炭資源占煤炭總儲量的54.7%。但是，隨著采掘煤層厚度的增加，開采深度加大，礦井地應力破壞現象，如沖擊低壓、冒頂和圍巖變形等越來越嚴重，主要原因是煤層深度增加，導致圍巖內部所受原巖應力增大，采掘施工過程中破壞了原巖應力多向平衡狀態，圍巖應力重新分配，產生應力集中區，并在采掘施工空間內進行卸壓。在卸壓過程中對回采煤層、巷道圍巖產生嚴重卸壓破壞作用，影響著井下采掘施工。礦井應力破壞，會導致礦井災害事故發生[1-3]。只有準確掌握圍巖應力分布規律以及應力布置形式，才能消除應力對采掘圍巖的破壞。本文以龍頂山煤礦15206 工作面為研究對象，對工作面采取FLAC3D 三維模擬，準確分析工作面回采期間順槽、回采煤柱應力分布規律，為后期圍巖控制提供了有力依據。

1 工程概述

龍頂山煤礦15206 工作面位于+850 水平1502采區，以北為15205 工作面采空區，以南為實體煤，以東為15206 運輸輔助巷，以西為實體煤。

工作面設計走向長度為790 m，傾向長度為156 m，采煤層位于太原組下部，K2石灰巖為其直接頂板，上距9 號煤層30.94～49.55 m,平均34.42 m，15 號煤層垮落帶預計高度為23.4 m，最大導水裂隙帶高度為75.59 m，遠大于兩層煤的最大間距，開采15 號煤層所產生的導水裂隙帶會溝通9 號煤層采空區積水。煤層厚度為2.40～4.78 m，平均厚度為3.68 m，普氏硬度為3～4，為厚煤層。井田范圍內該煤層中、西部厚度較小，東部厚度較大。含0～2 層泥巖夾矸，結構簡單。可采性指數100%，煤層變異系數為22.43%，為全井田可采的穩定煤層，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 15206 工作面回采的15 號煤層頂底板巖性表

該工作面回采所產生的采動壓力，可能對周邊巷道造成一定程度的破壞，在回采過程中需加強對周圍巷道圍巖的礦壓觀測。

2 FLAC3D 數值模擬建立

根據龍頂山煤礦15206 工作面地質條件及圍巖應力情況，工作面以底板右下角為基點建立，模型規格參數為：長×寬×高=340 m×200 m×130 m，設置采空區寬度為30 m，頭尾順槽寬度為5.0 m，為了降低四周殘余應力影響，將頭尾順槽外側巷幫向兩邊水平移動27 m 為邊界，整個三維模型采用12 000 個單元格構成。

為了進一步研究不同區域應力集中分布情況，根據15206 工作面FLAC3D 模擬模型應力分布情況（見圖1）可知，15206 工作面頭尾順槽掘進后，受水平應力影響小，水平應力主要集中在回采煤層中部，順槽主要受垂直應力影響大。位于非采空區側巷道的頂板出現應力釋放現象，并形成非對稱應力拱，對巷道頂板破壞嚴重。而采空區側巷道由于前期采空區形成卸壓空間，頂板形成的垂直應力集中區位于巷道煤壁側肩角煤柱位置，應力對頂板影響小。因此，垂直應力主要以頭尾順槽為研究對象。

圖1 15206 工作面巷道掘進后圍巖應力分布圖

3 圍巖應力分布規律分析

3.1 頭尾順槽圍巖應力分布規律

巷道掘進過程中破壞了原巖平衡狀態，受巷道掘進擾動影響，圍巖內部應力重新分布，并在水平和豎直方向產生應力集中區[4-6]。

3.1.1 巷道豎直應力分布規律

根據應力分布圖分析可知，15206 工作面的中部以及遠離采空區側巷道（回風順槽）處于高應力范圍內，巷道圍巖最大應力達18 MPa，而采空區側巷道（運輸順槽）相對較低，主要原因是鄰近工作面回采后圍巖應力得到了釋放，使15206 運輸順槽圍巖應力相對較低且均勻。而15206 回風順槽在掘進過程中圍巖內部應力重新分布，應力向回采中部煤層移動，使煤層中部產生應力集中區。隨著工作面推進，集中應力向巷道圍巖釋放產生嚴重破壞作用，所以，遠離采空區側巷道很容易發生災害事故。

3.1.2 水平應力分布規律

15206 工作面中部煤層受力相對均勻，由于受回采后圍巖巖體破斷形成巖塊鉸接結構影響，15206回風、運輸順槽圍巖所受水平應力相對較小。巷道掘進后，在一定范圍內圍巖產生水平應力集中區，且向回采煤層中部移動。同時，受采空區殘余應力影響，殘余應力以水平應力形式向煤層中部延伸，從而使煤層中部形成水平應力集中區。在回采過程中水平應力瞬間釋放，很容易產生沖擊地壓，造成底板鼓起、煤體垮落等。

3.2 回采期間應力分布規律

工作面在回采過程中產生擾動影響，從而造成工作面煤體及圍巖產生應力集中現象，工作面在回采過程中布置4 個測點分別對回采煤層圍巖水平應力、豎直應力分布規律進行分析，測點分別布置在距工作面150 m、300 m、450 m 和514 m 處。

3.2.1 豎向應力集中分布規律

由圖2-1 可知，工作面在回采過程中煤層所受的豎直應力呈減小趨勢，距采空區越近，豎直應力越大，主要原因是工作面回采期間產生超前應力區，同時，受采空區殘余應力影響，形成應力集中區，且15206回風順槽平均應力大于運輸順槽平均應力。由此可見，在回采過程中位于采空區側煤層所受水平應力小，有利于防治沖擊地壓。

圖2 回采期間煤層距采空區不同位置豎直、水平應力變化曲線圖

3.2.2 水平應力分布規律

由圖2-2 可知，水平應力主要集中在工作面非采空區側，且不同測點處隨著距采空區距離增加，水平應力呈先上升后下降趨勢。在距采空區25 m 范圍內，最大水平應力為2.7 MPa，最小水平應力為1.4 MPa。在25～60 m 范圍內，各個測點處水平應力呈整體上升趨勢，最大水平應力達6.0 MPa。在50～150 m 范圍內水平應力均勻，在150 m 后水平應力呈逐漸下降趨勢。由此可見，在回采期間回采煤層距采空區50～150 m 處水平應力最大，即位于回風順槽側煤體很容易受水平應力破壞，應加強該區域圍巖穩定支護。

4 結論

龍頂山煤礦通過對15206 工作面建立FLAC3D三維模型，合理分析了回采前頭尾順槽圍巖分布規律以及回采過程中煤柱應力分布規律，得出了以下結論：

1）頭尾順槽在掘進過程中產生應力集中現象，但是，位于采空區側的巷道由于圍巖應力能夠通過采空區及時卸壓作用，巷道圍巖應力場相對較小。而遠離采空區側巷道在掘進過程中，受采動影響，產生較大的豎直應力。因此，需對回風順槽圍巖加強支護。

2）頭尾順槽在掘進過程中產生的水平應力向煤層中部移動，使回采煤層中部產生集中應力區，工作面在回采過程中在超前應力疊加破壞作用下，很容易產生沖擊低壓，回采期間出現底部鼓起、煤壁片幫等，需對回采煤層中部進行集中卸壓作用。