深部薄煤層工作面采動應力演化規律研究★

馬成甫，段燕偉

(1.杭錦旗西部能源開發有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014300； 2.黑龍江科技大學 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

薄煤層在我國各大煤炭主產區均有較大的賦存量[1]，由于其賦存條件，薄煤層煤質較好，因此薄煤層的開采是我國煤炭資源必不可少的一部分[2-4]。隨著我國煤炭資源開采逐漸進入深部，面臨著異于淺部開采的復雜應力環境[5-6]，如何在復雜應力環境下避免礦井災害的發生是安全生產的重中之重[7-8]。因此，深部薄煤層開采過程中應力演化規律對于煤礦安全高效生產起著重要的指導作用。

本文通過數值模擬和理論分析相結合的研究方法，模擬了掘巷和工作面推進過程兩種工況，分析了兩種工況下圍巖的應力演化規律，對深部薄煤層安全高效開采具有借鑒意義。

1 工程背景

滴道盛和煤礦立井位于黑龍江省雞西市滴道區境內，屬雞西煤田北部含煤條帶中部。12號層為全區發育，立井深部可采，平均埋深為723.5 m；煤厚在0.25 m～1.32 m之間，平均煤厚0.95 m，結構簡單，距離15號層40 m左右，頂底板為砂-砂頁巖。肉眼煤巖類型為半亮-光亮型，油脂-金屬光澤。煤質為低硫、低磷、中低灰分，以焦煤、三分之一焦煤為主。本層全區發育，煤層結構和厚度均較穩定，煤層對比可靠，為較穩定煤層。

2 工作面開采模擬方案

為研究滴道盛和煤礦立井12號的應力分布狀況及其變化規律，以12號開采的右六路工作面為例進行數值模擬，考慮到工作面上方緊鄰采空區，停采線靠近采區上山，右六路工作面回采區域的應力分布受采空區的影響。因此，為了較為真實的反映右六路工作面和巷道的受力情況，對右六路附近區域巷道的采掘工作面工況分別進行了模擬。

2.1 模型建立

根據滴道盛和煤礦立井12號煤層右六路工作面的相關參數，建立模型。模型尺寸為：410 m×205 m×96.66 m，底板右下角為坐標零點，采空區寬度30 m，上下順槽為5 m，考慮邊界效應，下順槽向外擴展25 m為邊界。整個三維模型共劃分16 000個單元體，19 679個節點。單元體網格劃分原則為“中間密四周疏”，對研究重點位置進行適當加密劃分。模型如圖1所示，回采工作面監測點位置如圖2所示。

2.2 邊界條件

基于地應力實測結果，最大水平主應力σmax=26.39 MPa。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，右六路工作面平均埋深h=581.9 m。

模型水平主應力σmax為：

σmax=γh×h0

(1)

則底部水平應力σh1和底部水平應力σh2分別為:

σh1=σh-γh×h0

(2)

σh2=σh+γh×h0

(3)

由于σv=17.31 MPa，根據頂板巖層分布和巖石密度，則模型頂面豎直應力為：

σv1=σv-ρighi

(4)

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3。

單元體力學模型采用庫侖-摩爾模型，順槽開挖與工作面推進采用null模型代替原單元體。

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，結合滴道盛和煤礦立井12號煤層現場工作面開采順序，模擬掘進右六路工作面上下順槽、工作面開采過程中應力場分布情況。

3.1 上下順槽掘進后應力演化規律

為研究不同應力的集中區域分布規律，通過對右六路工作面上下順槽回采后模型應力分布情況(如圖4，圖5所示)進行分析，煤層垂直應力集中區域在順槽及工作面上方頂板巖層中。煤層水平應力集中區域為下順槽的端部附近。因此，在下文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下順槽端部平面為主要研究對象。

3.1.1 垂直應力分布

由圖6，圖7可知，煤層上部及下部靠近順槽區域豎直應力場均較大，最大應力約為11.43 MPa。這說明上一煤層工作面煤層開采后，對右六路工作面的圍巖壓力輕微釋放，但整體卸壓效果并不明顯。下順槽在煤層中掘進，掘進后導致采區邊界圍巖應力重新分布，礦山壓力向實體煤側轉移，內部支承壓力明顯升高。離采空區距離愈遠，應力受采空區影響愈小，隨著工作面推進，由于滴道盛和煤礦立井煤巖層均較薄，所以受到應力變化影響較大，下順槽附近出現大面積高應力區域，易發生應力集中現象，右六路整個采場內應力集中程度較大，因此，右六路采場中部應力集中區發生沖擊地壓的可能性較大。

3.1.2 水平應力分布

由圖8，圖9可知，下順槽上部附近出現明顯水平應力集中現象，最大值達到11.86 MPa，上部順槽全長段水平應力均較小，下順槽端面應力相對較大；由于上部順槽的水平應力受到采空區卸壓的影響。水平應力逐漸向煤層內部延伸，大大增加了水平應力的集中程度，造成水平應力迅速增加，中部位置應力也相對較大。巷道開挖后，頂板、底板在一定的范圍內水平應力急劇增加，不利于圍巖的穩定性。煤層中部水平應力很大，集中系數很高，易發生沖擊地壓，造成頂板的冒落、底板隆起。

3.2 工作面推進過程中應力演化規律

3.2.1 垂直應力分布

由圖10，圖11可知，隨著工作面的推進，整體呈現增大的趨勢，同時煤層頂板的豎向應力變化較大，規律不易掌握，應注意在采掘過程中及時進行礦壓觀測來進行預警預報，保證安全生產，當工作面推進至360 m時，豎向應力出現最大值約為13.28 MPa，應力集中系數為0.091。隨著工作面的推進，應力集中現象逐漸由下部向上部轉移，但未有明顯“成核”現象產生，下部應力集中有所減弱，同時應力范圍逐漸平穩，應重點對應力集中區域進行卸壓，防治沖擊災害發生。受采空區的卸壓影響不大。

3.2.2 水平應力分布

由圖12，圖13可知，水平應力主要集中在煤層下順槽區域附近，上下順槽的開掘使水平應力在一定的范圍內有所降低，隨著工作面的推進，應力集中系數越來越大，工作面推進至90 m，水平最大應力達到11.85 MPa，工作面推進至180 m，水平最大應力達到12.21 MPa，工作面推進至270 m，水平最大應力達到11.99 MPa，工作面推進至360 m，水平最大應力達到11.86 MPa。隨著工作面推進，水平應力大小維持在穩定狀態，上下巷水平應力相比下巷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，應力較高范圍區域有所減少。綜上所述，重點應對煤層下巷附近區域進行卸壓，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。

4 結論及建議

1)順槽掘進后，煤層上部及下部靠近順槽區域垂直應力增大，下順槽附近出現大面積高應力區域，易發生應力集中現象。中部應力集中區發生沖擊地壓的可能性較大，應加強該區域的防沖措施。

2)順槽掘進后，下順槽上部附近出現明顯水平應力集中現象，上部順槽全長段水平應力均較小，下順槽端面應力相對較大。煤層中部水平應力很大，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)隨著工作面的推進，垂直應力整體呈現增大的趨勢，同時煤層頂板的變化較大，應力集中現象逐漸由下部向上部轉移，下部應力集中有所減弱，同時應力范圍逐漸平穩。應重點對應力集中區域進行卸壓，防治沖擊災害發生。

4)隨著工作面的推進，水平應力主要集中在煤層下順槽區域附近，上巷水平應力相比下巷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。重點應對煤層下巷附近區域進行卸壓，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。