孤島工作面頂板礦壓分布特征研究

余學義 尚 軒 張冬冬 毛旭魏 張建兵

(1. 西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2. 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室, 陜西省西安市，710054)

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孤島工作面頂板礦壓分布特征研究

余學義1,2尚 軒1,2張冬冬1,2毛旭魏1,2張建兵1,2

(1. 西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2. 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室, 陜西省西安市，710054)

為了解孤島工作面在形成前及回采過程中頂板壓力情況，以某礦2321工作面為例，應用FLAC3D數值模擬方法分析其頂板在兩側工作面開采之后及在回采過程中的應力分布情況。結果表明，當兩側工作面在未回采到測線處時，其頂板上的應力值大小近似于原巖應力；采過測線后，應力隨之增大，最終保持穩定。此時頂板上方應力為1.3～2.0倍原巖應力，且應力集中主要分布在兩側。回采期間，當工作面開采130 m時，超前壓力最大值為43 MPa，出現在距煤壁11 m處左右。

孤島工作面 頂板壓力分布 礦山壓力 數值模擬

孤島工作面能夠有效解決由于煤礦生產接替導致的掘進速度滿足不了工作面推進速度的問題。因此，目前國內大量的礦井開始用孤島工作面進行開采。但是孤島工作面開采容易產生應力集中，使得煤層頂板礦壓顯現的程度更加明顯，因此了解孤島工作面在形成前以及在回采過程中頂板的壓力情況，對巷道支護和其他孤島工作面的超前巷道支護具有一定指導意義。

1 工程概況

1.1 工作面情況

某煤礦2321孤島工作面介于西2311工作面采空區和東2331工作面采空區之間，南起二采區西軌道巷，北邊到F5斷層保護煤柱，如圖1所示，工作面標高-404.85～-468.8 m。該工作面采用綜采工藝，推進方向為煤層走向。

1.2 煤巖層特征

2321孤島工作面位于3#煤層，煤層厚度為5.85～6.15 m，厚度變化較大。煤層埋深為405～495 m，平均煤層埋深約為470 m，煤層傾角3°～7°，松散層厚約365～400 m。3#煤層裂隙發育較充分，普氏系數f=2～3，煤體較破碎。頂板為泥砂巖互層，厚度大于12 m，其中直接頂厚度小于0.6 m。泥巖厚0.48～2.1 m，顏色從淺灰到黑灰，塊狀，有較少量炭質賦存于里面。砂巖薄層狀，灰白色，硅泥膠結，裂隙發育，f=5～8。3#煤層直接底主要是由含有微量的碳質、植物化石和黃鐵礦結核的黑色塊狀泥巖構成，f=4～7，其厚度小于0.78 m；而老底則主要是由含有少量硅的灰色塊狀砂巖構成，硬度較大，裂隙發育較為充分，f=6～7，厚度大于8.2 m。

2 數值模擬建模

本次建模采用工程上常用的FLAC3D數值模擬軟件，模型建立如圖2所示。

圖2 初始模型建立圖

(1)模型尺寸。2321工作面長105 m，走向長780 m，靠近西側2331工作面長90 m，走向長915 m，東側2311工作面長120 m，走向長690 m。2321工作面兩側各有寬5 m的區段煤柱。沿煤層傾向采取5∶1的比例建模，沿煤層走向采取簡化建模。為了盡可能做到模擬結果的準確，減少邊界效應影響，在x、y方向各留20 m、30 m作為邊界煤柱。z方向建立6 m的煤層底板巖層和90 m的煤層頂板巖層。

(2)單元數與單元尺寸。模型共建有網格數27640個，模型建立時，為了方便進行數值模擬計算，對模型進行了簡化，針對重點觀察的3#煤層頂板，建立的網格比較細密，而其他地方則比較稀疏。

(3)邊界條件。在模型的左右、前后(x、y方向)兩側邊界施加水平約束，使其位移為零，保持固定。設置模型底部的邊界固定不動，即豎直方向位移為零。模型的頂部作為自由邊界。在模型的頂部附加一個等效應力，用來模煤層上方覆巖到地表的重力。

按照工程地質概況，確定模型物理參數如表1所示。

表1 數值模擬力學參數表

3 數值模擬結果及分析

3.1 單側工作面回采后應力分析

對于孤島工作面的形成過程而言，孤島面工作面是由一側的工作面回采結束后，再回采另一側的工作面而形成的。因此，其頂板也是在受到了一側工作面開采的影響之后又受到另一側工作面的開采影響。為了掌握孤島工作面在形成前以及回采過程中頂板的礦壓分布情況，需對此過程進行分步研究，在工作面右幫距離頂板2 m處，從煤幫向2321工作面煤體內60 m處布置3條測線，前10 m范圍內，測點布置方式為每間隔1 m布置1個，緊接著15 m范圍內測點布置方式為每間隔1.5 m布置1個，最后的35 m每隔2.5 m布置一個測點。測線布置如圖3所示。在記錄數據的過程中一次間隔100步。為研究2331工作面開挖后2321工作面頂板支撐壓力的分布規律，進行數值模擬時在2331工作面左側距頂板3 m處，自煤壁向2321工作面煤體內55 m處布置3條測線，其中前10 m每隔1 m 布置一個測點，其次15 m每隔1.5 m布置一個測點，最后的30 m采用2.5 m布置一個測點，測線布置如圖3所示。在記錄數據的過程中一次間隔100步。

圖3 工作面測線布置圖

2311工作面推進過程中2321工作面頂板應力變化如圖4所示。

圖4 2311工作面推進過程中2321工作面頂板應力曲線圖

由圖4(a)可以看出，當工作面還未開采到所布置的測線處時，在靠近測線處，工作面頂板的壓應力幾乎等于原巖應力，由此可以說明2321工作面煤層頂板還未受到開采的影響。當距測線15 m時，頂板測線處的壓應力要比距測線30 m處略大。由圖4(b)可以看出，隨著工作面不斷推進，測線附近的應力場也隨之發生改變，其頂板上的壓力值開始增大。當工作面從采過測線到回采結束過程中，測線處的壓應力隨之突然增大，最后當工作面上覆巖層穩定后，壓應力達到最大值且保持穩定。靠近2311工作面一側的2321工作面頂板的應力峰值出現在測線處8～9 m附近。

3.2 雙側工作面回采后應力分析

2331工作面推進過程中2321工作面頂板應力變化如圖5所示。

圖5 2331工作面推進過程中2321工作面頂板應力曲線圖

由圖5(a)可知，當采煤工作面未推進至測線的時候，測線處頂板的壓力幾乎和原巖應力相等，但不同于一側工作面的開采，當2321工作面另一側也開始回采時，測線處工作面頂板的壓力值比單側開采大。因此，2311工作面的開采影響了整個采場工作面頂板的受力情況。由圖5(b)可知，當2331工作面回采過測線后，測線處頂板的壓應力隨之增大，當工作面上覆巖層穩定后，垂直應力達到最大值且保持穩定?？拷?331工作面一側的2321工作面頂板的應力峰值出現在測線處8 m附近。

3.3 2321工作面回采期間超前壓力分析

在回采2321工作面期間，數值模擬采區前390 m每隔10 m，后390 m每隔30 m做一個切片觀測頂板上方壓力分布情況。工作面回采中煤層頂板壓力峰值情況如圖6所示。由圖6可以看出，隨著工作面的推進，孤島煤體產生全面的應力集中，工作面上方垂直壓力逐漸增大后減小，待開挖穩定后，壓力峰值基本保持不變，可以確定距工作面煤壁140 m左右時，壓力達到最大值。超前支撐壓力峰值在距離工作面煤壁前方位置，且峰值出現在距離煤壁11 m處左右，峰值為43 MPa，工作面超前壓力同樣先增大后減小。峰值過后壓力逐漸減小，最終保持穩定。

圖6 2321 工作面推進過程中2321工作面頂板應力曲線圖

3.4 結果分析

數值模擬結果表明，2311和2331工作面的開采使2321工作面頂板兩側上方壓力較按正常順序開采時明顯增大，尤其是當2331工作面開采結束后，這種現象尤為明顯。同時也可以看到在開采前2321工作面頂板兩側壓力大小成非對稱分布，即靠近2331工作面一側壓力要大些。

不同于普通工作面，孤島工作面由于受到兩側工作面開采的重復采動影響，其頂板壓力顯現更為突出，其中工作面超前支撐壓力峰值明顯大于一般工作面，且容易產生應力集中現象。

4 結論

本文主要研究了2321孤島工作面在形成前以及開采推進中，工作面頂板的壓應力分布情況。得出以下結論：

(1)單側開采2311工作面。當未采到測線處時，2321工作面頂板幾乎不受采動影響。當工作面推進過測線，壓力逐漸增加，直到采空區穩定后，頂板壓力達到最大值14 MPa。壓力的最大值位于測線處8～9 m左右。

(2)雙側開采2331工作面。當未推進到測線位置處時，2321頂板壓力近似于原巖應力，略大于單側開采。工作面推進過測線，壓力逐漸增大，直到采空區穩定后，頂板壓力達到最大值14.5 MPa。最大值位于測線8 m處。

(3)回采2321工作面之前。其頂板壓應力大小為1.3～2.0倍原巖應力之間，且應力分布在頂板兩側?；夭?321工作面期間。在工作面剛開始回采的時候，工作面頂板上的應力集中最不明顯，但隨著工作面的不斷推進，應力集中現象逐漸顯現，并在回采中期時達到最大。當工作面推進130 m時頂板超前壓力最大值為43MPa，出現在距離工作面煤壁11 m處。

[1] 朱兵兵. 孤島工作面礦壓顯現規律及超前支護技術研究 [D]. 淮南：安徽理工大學，2015

[2] 馮占文，高勤瓊. 孤島工作面頂板礦壓規律及控制研究 [J]. 煤炭科技，2015(11)

[3] 曹永模，華心祝，楊科等. 孤島工作面沿空巷道礦壓顯現規律研究 [J]. 煤礦安全，2013(1)

[4] 錢鳴高，石平五，許家林. 礦山壓力與巖層控制[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2010

[5] 劉寶珠． 深部不規則大孤島工作面沖擊地壓預測與防治技術 [J]. 中國煤炭，2013(6)

[6] 于元林.大采高孤島采場覆巖運動破壞特征和礦壓顯現研究 [D]. 淮南：安徽理工大學，2007

(責任編輯 陶 賽)

Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face

Yu Xueyi1,2， Shang Xuan1,2， Zhang Dongdong1,2， Mao Xuwei1,2， Zhang Jianbing1,2

(1.School of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China;2. Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

In order to understand mining stress at roof of isolated work face before and during the extraction process, taking 2321 work face of a mine as an example, the FLAC3D numerical simulation software analyzed the stress distribution of roof after work faces of both sides during and after the process of mining excavation. The results showed that the roof stress was close to the original rock stress when work faces of both sides had not mined to measure line, the stress increased after mining over the line, then ultimately keeping stable. The stress at roof was 1.3 to 2 times of the original rock stress, and the stress concentration was mainly distributed on both sides. During mining process, the maximum value of the advance pressure equaled to 43 MPa and occurred at 11 meter away from the coal wall when the work face advanced 130 m.

isolated work face, roof stress distribution, mining stress, numerical simulation

高等學校學科點專項科研基金資助項目(20106121110003)，陜西省自然科學基金(2011JS005)

余學義，尚軒，張冬冬等. 孤島工作面頂板礦壓分布特征研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(7)：62-65. Yu Xueyi，Shang Xuan，Zhang Dongdong，et al. Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face [J]. China Coal，2017,43(7)：62-65.

TD823

A

余學義(1955-)，男，陜西定邊人，教授，博士生導師，主要從事開采損害及防護方面研究。