常村矿 “Z型”煤柱区冲击危险性数值模拟研究

马晓东

(义马煤业集团有限责任公司，河南三门峡472300)

1 概况

常村煤矿位于河南省义马市常村镇境内，井田面积13.63km2。其中21采区为常村煤矿的主力采区，该采区位于110大巷以下，东至23采区断层带，西到F3断层。走向长2141～3226m，倾斜长1438m，可采面积3.9km2。该采区所采煤层为2－1煤和2－3煤，煤层沿1806钻孔、1705钻孔东50m、Ⅱ－2钻孔东90m连线为界，以西煤层分叉为2－1煤和2－3煤，以东合并为一层统称为2－3煤。其中2－1煤平均厚度3.05m，2－3煤平均厚度5.63m。

常村煤矿目前生产区域集中于21采区及其延深区，随采深不断加大，冲击矿压显现愈加强烈。2008年至今记录的冲击事故19次，累计破坏巷道上千米，造成大量设备损坏，对煤矿安全生产构成严重威胁。特别是21132工作面，该面采深不足650m，但冲击矿压显现却特别严重。因此，有必要对21132工作面的冲击作用机制进行深入分析，为进一步的开采方案优化设计和冲击矿压灾害防治提供理论依据［1］。

2 冲击矿压判别准则

煤岩层在开采过程中发生垮断，从而形成动载，若动载与煤体的静载叠加后达到了煤体的临界冲击载荷，可促使冲击矿压发生。发生冲击矿压的判别式如式 (1)所示［2］。式中σj为煤体的静载;σd为顶板断裂、矿震等在煤体中产生的动载;［σ］b为煤体发生冲击矿压的临界载荷。

由式 (1)可知煤体中的应力分布对冲击矿压有直接影响，且静载σj和动载σd共同作用导致了冲击矿压的发生。动载的产生机制较为复杂，而静载与矿井的采深和开采技术条件密切相关，不合理的生产布局将导致较高的静载应力集中程度，使冲击危险性上升。因此，本文将重点对21132工作面“Z型”煤柱区静载荷采用数值模拟技术进行分析研究。

3 21132工作面“Z型”煤柱区应力分布规律

3.1 21132工作面开采特殊性

对常村煤矿已发生的冲击矿压的统计分析表明，2110工作面较21132工作面采深浅约90m，极少发生冲击矿压;21132工作面较2118工作面采深浅约20m，冲击发生频次为2118工作面的7倍。以往研究证实采深越大冲击危险性越高［3］，可见，采深不是21132工作面冲击矿压的主要影响因素。

图1所示为21132工作面采掘工程布置，图中显示，2113采用分层开采，一分层21131已回采并形成采空区，21132下巷外错21131下巷25m布置，位于高应力区，21132上巷位于一分层采空区下方，属于卸压区;21采区下山附近布置一延伸工作面且回采完毕，这样便形成了图中所示的“Z型”煤柱，21132下巷受接近延伸工作面时由于工作面外错式布置以及延伸工作面侧向压力所造成的双重影响，应力集中程度较高。

图1 21132工作面采掘工程布置

21132工作面掘进与回采期间发生多次冲击矿压，如图2所示。可以看出，绝大多数冲击矿压发生在21132下巷;冲击矿压不仅发生在工作面超前支承压力区范围 (图中区域1)，而且有8次冲击发生在“Z型”煤柱区 (图中区域2)，冲击位置比较异常。

图2 21132工作面冲击矿压分布

根据地质条件分析，“Z型”煤柱区无明显的岩性变化、煤层突变及断层等构造，基本排除地质异常因素的影响［4－5］，因此，该区域的冲击与采掘工程布置形成的“Z型”煤柱有关，“Z型”煤柱的存在导致该区域的应力呈现不利于冲击矿压灾害防治的分布形态。了解该区域的应力分布特点对冲击矿压防治具有指导性意义，因此，文章采用数值模拟方法对“Z型”煤柱的应力分布做分析研究。

3.2 “Z型”煤柱区数值模型建立

数值模拟采用FLAC3D软件对“Z型”煤柱区的应力分布特点做主要研究。

为使建立的模型能够较为全面、真实地反映“Z型”煤柱的应力分布情况，数值计算模型以常村煤矿的实际地质条件及煤柱区域工作面开采顺序为依据，模型尺寸为z方向高度取86m、x方向取480m、y方向取300m。建立的模型如图3所示。

图3 “Z型”煤柱三维数值模型

模型中各煤岩层采取的力学参数参考21132工作面煤岩体的物理力学参数，具体见表1。

表1 FLAC3D数值模型各煤岩层力学参数

3.3 开采形成“Z型”煤柱及其应力分布

该模型的开采分为3个步骤:开采延伸工作面;开采21131工作面;开采21132工作面。对模拟区域进行3步开采，可以更好地了解不同开采状态下的应力分布情况。根据模型高度，在切面z=34 m时为21131底板，这里主要对该切面在不同开采状态下的应力分布状态进行分析。

图4为延伸工作面开采后，z=34m切面上3个应力参量的分布云图，图中Sxx，Syy，Szz分别表示水平x方向应力、水平y方向应力和垂直z方向应力。应力云图显示除了延伸工作面周围，模型其他的地方基本上还是处于原岩应力状态。

图4 延伸工作面开采后应力分布

图5为21131工作面开采后，z=34m切片上3个应力参量的分布云图。这时，3个图都显示了“Z型”高应力区域的分布位置。常村煤矿21132工作面下巷外错上分层下巷25m布置，下巷接近“Z型”煤柱区域时将受到上分层实煤体和延伸工作面侧向支承压力叠加影响，应力集中程度显著增加。下巷在掘进期间冲击显现较为明显;表明深井分层开采，下分层最好采用内错式布置。

图5 21131工作面开采后应力分布

图6为21132工作面开采后，z=34m切片上3个应力参量的分布云图。其应力分布形状基本上和21131开采后的分布形状相似，但是Szz方向应力在停采线位置增加较大。

图6 21132工作面开采后应力分布

3.4 “Z型”煤柱区域的应力变化规律

为了详细分析“Z型”煤柱区域应力的分布规律，可以取一个有代表性的剖面做为研究对象。由于冲击矿压发生的位置主要集中在停采线附近的区域，在此对停采线附近应力分布进行研究。

如图7所示，在垂直于21132工作面推进方向距停采线5～55m范围每隔10m布置一监测线，主要监测水平x方向应力Sxx和垂直z方向应力Szz。由图5、图6模型开采后应力分布可知21131工作面开采后的应力分布和21132工作面开采后的分布是相似的，因此只研究21132工作面开采后的应力分布情况［6］。

图7 监测线布置

图8为距停采线不同距离监测线上水平x方向应力分布规律，可看出，最大水平应力位于y=68m和y=260m，290m位置附近，对应21132下巷以下12m(21132下巷下区段煤柱中)和21131上巷附近煤柱;随着监测线靠近停采线(“Z”型煤柱区域)，监测线上y=68m位置水平应力呈增大趋势，水平应力从L=55m处的19.5MPa增加到L=5m处的22MPa，而监测线上y=260m，290m位置水平应力呈下降趋势，水平应力从L=55m处的22MPa分别下降到L=5m处的12MPa和16MPa。

分析上述应力分布规律认为，21132下巷应力高受一分层外错煤柱的影响，21132下巷外错21131下巷25m布置，正好处于外错煤柱支承压力峰值影响范围内;随距离停采线距离的减小，21132下巷水平应力逐渐增大受“Z”型煤柱影响，即随距离减小，延伸工作面侧向支承压力逐渐影响21132下巷。可见，21132下巷的冲击危险性较高，且随着工作面接近停采线，受“Z”型煤柱影响，冲击危险性逐渐增高。图2中冲击矿压分布规律与应力分布规律具有较好的一致性。

图9所示为距停采线不同距离监测线上垂直z方向应力分布规律。

图8 距停采线不同距离监测线上水平应力S xx演变规律

图9 距停采线不同距离监测线上垂直应力S zz演变规律

随着离停采线距离的增加，垂直应力的分布特征基本上是稳定一致的。21132工作面未开采时，y=68m处的垂直应力值为15MPa，与之相比，开采后的垂直应力值升高2.5倍。可见，当21132工作面回采到停采线位置时，周围煤岩体将会承受较大的垂直应力。

4 结论

冲击矿压的发生必须满足一定的应力条件，留设大煤柱容易聚集大量的弹性能，且煤柱的存在使煤柱中及煤柱周边产生高应力集中，常导致冲击矿压的发生。通过分析21132工作面掘进与回采期间冲击矿压分布规律以及模拟研究“Z”型煤柱区应力分布规律，得到以下结论:

(1)21132工作面冲击矿压大多分布在21132下巷超前支承压力影响区和“Z”型煤柱区，上巷极少发生冲击，表明该工作面的冲击与回采巷道布置引起的上巷应力集中程度低、下巷应力集中程度高有关，“Z”型煤柱区冲击频发还与延伸工作面侧向支承压力有关。

(2)数值模拟结果显示，延伸工作面与2113工作面开采后，在2个工作面采空区周围煤岩体中形成了高应力区域，应力区域的分布形态呈“Z”型;最大应力位于y=68m和y=260m，290m位置附近，对应21132下巷以下12m和21131上巷附近煤柱;随着监测线靠近“Z”型煤柱区，监测线上y=68m位置水平应力逐渐增大，从19.5MPa增加到22MPa;21132工作面开采后的垂直应力最大值较原岩状态升高2.5倍。

(3)随工作面回采接近“Z”型煤柱区，下巷受外错煤柱产生的高应力和延伸工作面侧向支承压力叠加影响，发生冲击矿压的危险性将增高。

［1］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［2］HE Jiang，DOU Linming，CAO Anye，et al.Rock burst induced by roof breakage and its prevention ［J］.Journal of Central South U-niversity of Technology，2012(19):1086－1091.

［3］窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.

［4］卢新伟，窦林名，王国瑞，等.巨厚火成岩下矿震分布特征分析 ［J］.煤炭工程，2010(7):54－57.

［5］徐学锋，窦林名，刘 军，等.煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究［J］.岩土力学，2010，31(6):1977－1982.

［6］董 帅，周邵华，毕思杰，等.常村煤矿冲击矿压数值模拟研究 ［J］.中国煤炭，2011(1):102－104.