龍湖煤礦68#煤層采動過程應力分析

單世君

【摘?要】分析沖擊區域的壓力分布狀態及其值的高低，對防治沖擊地壓具有重要作用。多數情況下，巷道和采面圍巖的應力越高越集中，該區域越容易積聚大量的彈性能，更容易引發沖擊地壓。所以，在一定的采掘范圍內，分析應力集中程度的大小和應力的變化對進行沖擊危險程度評價，確定沖擊危險區域，以采取及時的防治措施具有重要意義。

【關鍵詞】采動過程;應力分布;flac3D數值模擬

1工作面開采模擬方案

為了更好的研究龍湖煤礦一水平68#煤層的應力分布狀況及其規律，以一水平68#正在開采的軸前左五片工作面為例進行數值模擬，68#煤層進行雙翼開采，軸前左五片緊鄰軸后左五片。本煤層軸后下段已回采完畢，斷層帶附近可能引起工作面局部瓦斯升高。臨近無采掘工作面，對工作面無影響。上部20米為67下煤層，煤厚0.59米，不可采;下部10米69煤層，不可采;下部45米為71煤層，未采動，對工作面無影響。因此，為了較為真實的反應左五片工作面和巷道的受力情況，對左五片工作面附近區域巷道的采掘及工作面工況分別進行了模擬。

2龍湖煤礦68#煤層模型建立

（1）計算模型

基于鉆孔柱狀圖和試驗數據，考慮到建模的需要，在建立模型時對地層進行了簡化。因此，充分考慮左五片工作面采場及其相鄰采空區、巷道的應力分布和變化情況，建立的模型是模型尺寸為：174×300×100m，選取模型左五片底板右下角為零點建立，采空區寬度30m，上下順槽為5m，考慮到應力的影響范圍，下順槽向外擴展25m為左右邊界。

整個三維模型共劃分25300個單元31042個節點。

（2）邊界條件

基于地應力實測結果，最大水平主應力σmax=28.54MPa。隨著埋深的增加，模型Z方向所受到的約束力呈現增加的趨勢，假設該點在煤層巷道底板處，埋深h為548.8m。

模型水平主應力大小為：

模型豎直應力為：

由于σv=10.976MPa，巷道底板上部煤巖體參數是：

根據頂板巖層分布和巖石密度，則模型頂面豎直應力為：

因此，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見圖1。

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，結合龍湖礦68#煤層現場工作面開采順序，模擬掘進左五片工作面上下順槽、工作面分布開采過程中應力場分布情況。

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。通過查閱大量的參考文獻：得出，當在地層中進行開挖時，圍巖進行應力重新分布，在圍巖的兩幫部位易出現豎向應力集中，圍巖頂底部出現水平應力集中。為了便于研究不同應力的集中區域分布規律，通過對左五片工作面回采后模型應力分布情況進行分析得出，分別對左五片工作面上下順槽掘進和工作面推進過程中的應力集中區域進行分析。

為了便于研究不同應力的集中區域分布規律，通過對左五片工作面上下順槽回采后模型應力分布情況進行分析得出，煤層豎直應力集中區域在順槽頂板附近。煤層水平應力集中區域為上下順槽的兩幫處。因此，在下文進行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。

②左五片工作面上下順槽掘進后應力集中區域分布

對左五片工作面上下順槽進行數值模擬，得出煤層應力云圖和應力分布曲線。由于上下順槽的開挖，對采掘周圍巖體進行了擾動，應力重新分布，形成了應力集中區域。

1）豎向應力集中區域分布

煤層下順槽豎直應力場較大，整體呈現遞減的趨勢。這是由于左五片工作面煤層開采后，上下順槽埋深不同，導致出現了應力差。由于軸后左五片采面已回采完畢，頂板巖層基本穩定，因此，左五片采場下部應力集中區發生沖擊地壓的可能性較大。

2）水平應力集中區域分布

煤層中部出現水平應力集中，最大值達到16.5MPa，上部順槽全長段水平應力均較小。向煤層內部延伸，水平應力呈現整體穩定的趨勢，應力數值近似相等。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。煤層水平應力很大，集中系數很高，易發生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。

③左五片工作面推進過程中應力集中區域分布

1）豎向應力集中區域分布

隨著工作面的推進，煤層頂板的豎向應力最大值呈現先減小后增大的趨勢。工作面推進至90m時，工作面前方應力場呈現中部小，兩側大的趨勢，向著煤體內部延伸，應力呈現先減小后增加的趨勢，停采線附近最小。隨著工作面的推進，工作面出現高應力區集中在下巷，隨著工作面推進至邊界線后，前后方均出現低應力核區。應重點對上下順槽高應力區進行卸壓，防治沖擊災害發生。

2）水平應力集中區域分布

水平應力主要集中在煤層中，隨著工作面的推進，應力集中系數先增大后減小，工作面推進至90m，水平最大應力達到15.0MPa，工作面推進至180m，水平最大應力達到17.5MPa，工作面推進至270m，水平最大應力達到20.8MPa。上下巷水平應力較小且小于原始水平應力，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，下巷底板區域的壓力范圍逐漸減小，但出現明顯的應力集中現象。

4小結：

①重點應對煤層中下部進行卸壓，保證工作面開采過程中的安全穩定，對下巷底板采取加強支護，防止底鼓的發生。上下巷兩幫壓力較小且穩定，開采過程中安全穩定。

②應加強對下部巷道兩幫的保護，防止片幫，保證下部工作面穩定，必要時采取卸壓措施，有利于巷道的穩定性和沖擊地壓的防治。

（作者單位：黑龍江省交投礦業投資運營有限公司）