新河礦厚砂巖層變形移動數值模擬研究

陳貴陽

（潞安環能股份公司王莊煤礦，山西 長治046031）

新河礦開采的1-1煤層屬于易自燃特厚煤層，井田內距離1-1煤層頂板上方約16.33m遠處有一層平均50m厚的厚砂巖層。綜放開采時，上覆厚砂巖層隨采面推進可能會出現大面積懸頂，當懸頂面積達到一定值時會突然性斷裂和大面積垮落，有可能導致礦震、沖擊地壓等礦山動力現象。目前礦井正開采22131綜放工作面。22131綜放工作面位于22采區下山西翼，工作面西部為井田邊界煤柱，東部為22采區下山煤柱，北鄰已采的22121工作面，南鄰未采22161工作面。地面為低山丘陵，地面起伏較大，地面無大的水體和建筑物[1]。

1 數值模擬的目的和方案

數值模擬分析以現場地質條件和生產技術為基礎，針對22141綜放工作面圍巖地質條件，結合22141綜放工作面煤巖體物理力學參數測試結果，模擬工作面不同推進距離圍巖的力學特征，模擬工作面向前推進距離分別為30m、60m、90m、120m時工作面圍巖移動規律及巨厚堅硬礫巖層變形失穩模式和破斷失穩破壞演化規律，找出可能誘發沖擊地壓的信息[2]。分析工作面在推進過程中的應力分布情況，找出高應力集中區域，從而對這些區域采取重點防治，對工作面預防沖擊地壓發生具有重要的指導意義。

2 計算模型的建立及參數選取

本部分關系到計算的合理性、可靠性和精確性。平面模型要求包含極限穩定斷面，以便計算結果能增加工程穩定設計的可靠性；模型要有可靠的邊界條件，即滿足地質條件和生產實踐上的要求。根據22141綜采工作面圍巖實際地質條件及生產情況，依據22141綜采工作面地質綜合柱狀圖，建立數值模擬計算模型如圖1所示。模型長寬高為250m×150m×87.4m，回采面從距模型左邊界40m處開始向右方向推進，工作面兩邊各留50m保護煤柱。

本數值模擬巖石力學參數的選取參照22141綜采工作面煤巖物理力學實驗得出的煤巖塊的力學參數。表1為各巖層的參數。

3 模擬結果及分析

3.1 工作面不同推進距離時水平應力分布規律結果分析

為了研究工作面前方煤體內水平力分布及影響范圍，對工作面設置200m長的監測曲線，監測曲線位于采空區頂板上方0.5m處，具體應力分布情況如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著工作面的向前推進，工作面前方支承壓力影響范圍增大，最大水平應力值增大，最大水平應力值向工作面前方轉移，這是因為上部厚砂巖層的存在，厚砂巖層不跨落，導致工作面上方頂板巖層內的水平應力得不到釋放，使巖體內水平應力不斷積聚。由上述分析可知，隨著工作面的向前推進，最大水平應力有增大的趨勢，采空區底板水平應力值影響范圍增大。

3.2 不同推進距離時工作面前方支承壓力分布規律結果分析

表1 巖體力學參數

圖2 工作面前方水平應力分布規律

圖3 工作面前方支承壓力分布規律

圖4 采空區頂板有下沉量與工作面推進距離關系

為了研究工作面前方煤體內垂直應力分布及影響范圍，對工作面設置200m長的監測曲線，監測曲線位于采空區頂板上方0.5m處，具體應力分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著工作面的向前推進，工作面前方支承壓力影響范圍增大，最大垂直應力值增大，最大應力值向工作面前方轉移，這是因為上部厚砂巖層的存在，厚砂巖層難以達到極限垮距，導致工作面上方頂板巖層內的應力得不到釋放，使巖體內應力不斷積聚。

由上述分析可知，隨著工作面的向前推進，最大垂直應力基本保持不變，在工作面向前推進過程中，采空區底板前方有時會出現較高的垂直應力集中現象；采空區頂板由于破壞而處于垂直應力降低區。在工作面前方9～12m左右，出現高能量區域，在受到擾動時，很容易發生沖擊危險。

3.3 工作面不同推進距離時垂直位移結果分析

如圖4所示工作面不同推進距離垂直位移特征曲線。由圖4可以看出，工作面向前推進90～120m時，最大垂直位移量在采空區上方，采空區上方5～25m范圍的巖體有向下的位移量；工作面向前推進30～600m的過程中，采空區上方有向下位移量的巖體范圍從采空區上方70m急劇增加到110m，上覆巖層活動劇烈；工作面向前推進120m之后，采空區上方有向下位移量的巖體范圍基本保持不變。

由上述分析可知，隨著工作面的向前推進，采空區頂板上方巖體產生下沉量的區域呈增大趨勢，在工作面推進到60m以后采空區頂板有下沉量的巖層高度基本不變，如圖4所示。這是由于厚砂巖層的存在，使得工作面推進到120m時，砂巖層仍不發生斷裂。

4 結論

綜上所述，工作面推進距離采場圍巖應力狀態及頂板垮落影響范圍的分析結果可知，隨著工作面的推進，采空區上方頂板垮落，但是由于采空區上方約50m覆蓋厚砂巖層強度高，整體性能好，使得工作面推進到120m仍沒有發生斷裂，導致工作面前方移動支承壓力集中程度較高，是導致工作面運輸平巷發生沖擊地壓的根源。

［1］竇林名，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2001.

［2］潘一山，李忠華，章夢濤.我國沖擊地壓分布、類型、機理及防治研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1844-1851.