王坡礦3210孤島工作面礦壓分布規(guī)律探討

郭永軍

（晉城市澤州縣應急局，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司二采區(qū)3210綜放工作面因東、西兩側(cè)的3208和3212工作面均已采空，成為兩側(cè)采空的孤島工作面，見圖1。3210工作面設計采用后退式回采工藝，完全垮落法管理頂板。該工作面開采3#煤層，平均傾角6°、平均厚度5.76 m的，直接頂為黑色泥巖、老頂為灰色石灰?guī)r，直接底為粉砂質(zhì)泥巖、老底為砂巖。

3210孤島工作面兩側(cè)采空的特殊情況可能導致本工作面回采過程中有較劇烈的礦壓顯現(xiàn)，因此需要研究3210孤島采場覆巖的運動特征、礦壓顯現(xiàn)及應力分布特點，并采取相應措施，確保3210工作面安全高效生產(chǎn)。

圖1 3210孤島工作面位置

2 孤島面回采礦壓顯現(xiàn)理論分析

2.1 采場S型覆巖結(jié)構(gòu)礦壓規(guī)律分析

隨著孤島工作面的回采，其覆巖中老頂上覆巖層及兩側(cè)采空區(qū)同位覆巖會由于老頂斷裂而產(chǎn)生聯(lián)動，形成孤島工作面典型的S型覆巖結(jié)構(gòu)［1］。孤島工作面回采至一定長度后，老頂在工作面煤壁前方發(fā)生斷裂形成“類拱”結(jié)構(gòu)，見圖2（a），其運動、回轉(zhuǎn)形成的內(nèi)應力場導致工作面的初次來壓，會產(chǎn)生工作面支架所受壓力增大、工作面煤壁產(chǎn)生一定深度的塑性變形的現(xiàn)象；工作面進一步回采，形成的“類拱”結(jié)構(gòu)會在回采擾動下發(fā)生破壞，隨著應力的調(diào)整，該結(jié)構(gòu)前腳將轉(zhuǎn)移至工作面煤壁產(chǎn)生塑性變形的前方［2］；覆巖結(jié)構(gòu)會由于工作面的持續(xù)推進而產(chǎn)生周期性變化，工作面后方會進入非充分采動和充分采動狀態(tài)，其空間結(jié)構(gòu)見圖2（b）、圖2（c），最終會沿回采方向形成一系列沿工作面中垂線對稱的S型觸矸線。

圖2 S型覆巖結(jié)構(gòu)演化

圖3為回采工作面前、后方支承壓力分布曲線圖。在工作面后方，由于回采造成工作面煤壁上方巖層狀態(tài)周期性的變化，緊鄰液壓支架后方會隨回采形成動態(tài)的支承壓力；工作面兩端頭靜態(tài)的實體煤覆巖經(jīng)歷回轉(zhuǎn)、破斷、垮落三個階段后會逐漸穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的煤體內(nèi)部靜態(tài)的內(nèi)應力場與外應力場；采空區(qū)在經(jīng)歷一段應力集中期后，會形成相對穩(wěn)定的靜態(tài)支承壓力，從而進入穩(wěn)定狀態(tài)。

在工作面前方，工作面煤壁后方較短距離內(nèi)的圍巖受采動影響，會形成與工作面走向方向上相同的動態(tài)支承壓力曲線；煤壁前方采動超前影響范圍外的覆巖只受相鄰區(qū)段影響，而相鄰區(qū)段已基本穩(wěn)定，故形成的支承壓力較穩(wěn)定。

圖3 工作面前后方支承壓力分布曲線

2.3 來壓步距理論計算

3210工作面所采煤層平均傾角僅6°，因此在工作面回采過后，可以將工作面后方懸頂視為矩形彈性薄板，將該板與y軸平行的兩邊簡支約束、另兩邊固支約束［3］，所建薄板模型見圖4，結(jié)合3210孤島工作面的實際情況，可以推導出該面在回采過程中的周期來壓步距及初次來壓步距。圖4中b為3210孤島工作面走向長度，為1800 m；a為工作面長度，取160 m。

圖4 采空區(qū)頂板模型

經(jīng)過推算［4］，得到該孤島工作面回采過程中初次來壓步距l(xiāng)c及周期來壓步距l(xiāng)z的計算見式（1）、式（2）：

式中：q為覆巖容重，取16 MPa；h為頂板垮落帶高度，取8.5 m；μ為直接頂巖層泊松比，取0.3；σ1為直接頂巖層抗壓強度，取3 MPa；m為煤層厚度，取5.76 m。通過上式計算即可得3210孤島工作面回采過程中初次來壓步距l(xiāng)c=32.4 m。

式中：H為該孤島工作面覆巖關(guān)鍵層厚度，取9 m；Rt為直接頂巖層抗拉強度，取2.5 MPa。經(jīng)過計算得到3210孤島工作面回采過程中周期來壓步距l(xiāng)z=20 m。

3 孤島面回采礦壓顯現(xiàn)數(shù)值模擬分析

運用3DEC數(shù)值模擬軟件［5］，結(jié)合3210孤島工作面具體參數(shù)，建立寬200 m、長300 m、高80 m的3210孤島工作面回采模型，來研究回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在所建模型中先對3210孤島工作面兩側(cè)的3208和3212工作面進行開挖，并運算至平衡狀態(tài)，然后將3210孤島工作面從模型邊界處開始進行回采作業(yè)。

3.1 頂板來壓情況分

3210孤島工作面回采45 m時頂板下沉量模擬結(jié)果曲線見圖5。

圖5 回采過程中頂板下沉量曲線

工作面回采過程中的初次來壓情況可以通過煤層頂板的下沉情況反映出來。觀察圖5可發(fā)現(xiàn)：工作面向前推進至30 m處時，頂板初次垮落造成的初次來壓使得工作面頂板下沉量驟然增加，初步說明3210孤島工作面回采過程中的初次垮落步距為30 m；當工作面進一步推進至65 m時，頂板下沉量的值增大到極值，是基本頂初次垮落后進一步垮落造成，因此可以確定該孤島面回采時基本頂初次垮落步距為35 m。

3.2 工作面超前支承壓力分布規(guī)律分析

3210孤島工作面回采過程中支承壓力分布規(guī)律曲線見圖6。

圖6 支承壓力分布曲線

觀察圖6可發(fā)現(xiàn)：工作面推進至35 m處時，所受支承壓力首次下降，這是頂板初次垮落、頂板卸壓所致，同樣說明初次垮落步距為35 m，之后平均每20 m出現(xiàn)一次卸壓情況，故周期來壓步距為20 m。工作面推進至30 m時，工作面頂板承受24 MPa的峰值垂直應力，工作面煤壁前方受此應力影響的范圍約27 m；工作面推進至距切眼50 m時，工作面頂板的峰值垂直應力為25 MPa，影響范圍為45 m；工作面推進至70 m時，工作面頂板承受最大23 MPa的垂直應力，煤壁前方約40 m范圍內(nèi)應力均高于原巖應力；工作面回采至距開切眼100 m處時，工作面煤壁前方受頂板22.5 MPa峰值垂直應力影響的范圍約53 m。上述數(shù)據(jù)表明該回采過程中超前支承壓力的平均影響范圍為51 m。

綜上：通過對3DEC模擬軟件進行3210孤島工作面建模對其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn)該工作面回采過程中受到的平均峰值垂直應力為24 MPa，受采動影響的超前支承壓力范圍約50 m，初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為20 m。

4 結(jié)語

通過對3210孤島工作面采場S型覆巖結(jié)構(gòu)礦壓規(guī)律進行分析并通過理論計算得到該面周期來壓步距為20 m，初次來壓步距為32.4 m。運用3DEC軟件對3210工作面回采過程中頂板來壓情況分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算得到的結(jié)果基本相同。最終確定該工作面回采過程中受到的平均峰值垂直應力為24 MPa，受采動影響的超前支承壓力范圍約50 m，初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為20 m。