高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律研究

迟鹏　朱海涛

摘 要：矿井开采深度增加的过程中，采掘工作面的应力场也会发生相应的变化，其中的高地应力的条件下松软煤层的掘进工作面也会出现一定的变化。本文结合工程实际，简要分析了高地应力特拉煤车掘进工作面应力场分布的规律理论，并对其分布规律进行了现场测试和数值模拟，并对高地应力高瓦斯压力特软煤层掘进工作面进行了突出预测。

关键词：突出预测；应力场分布规律；高地应力

1 分析高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律的相关理论

根据岩石蠕变曲线（图1）可知三条蠕变曲线。根据蠕变试验结果可知，如果一个较小的恒定荷载持续地对岩石产生作用，那么随着时间的增长，岩石的变形量也会有所增加。然而随着时间的增加，蠕变变形的速率也会逐渐减小，最后到达一个稳定的极限值，也就是稳定蠕变。如果具有较大的荷载，那么蠕变就会无限增长，产生典型的不稳定蠕变。应力大小决定了煤岩是发生不稳定蠕变还是发生稳定蠕变。如果应力没有超过长期强度，那么煤岩就按照稳定蠕变发展，否则就向不稳定蠕变发展。

根据应变力学特征，在高地应力作用下，深部矿井采掘工作面的松软煤层还没有达到峰值强度，但是随着时间的增加变形仍然会不断增加，直接进入变形阶段，这一现象又被称为静疲劳现象，也就是煤岩会出现应变软化。此时工作面前方的应力分布尚未出现峰值区域。例如某煤矿的煤层坚固性系数在0.1-0.2之间，具有比较完整和坚硬的顶底板，从预测指标3m开始，钻孔深度增加的过程中工作面前方没有出现明显的应力峰值。

2 现场测试高地应力特软煤层掘进工作面应力场的分布规律

2.1 现场检测原理

由于当前我国尚未有比较成熟的技术手段来对掘进工作面前方的应力场进行有效的测试，本文采用了KSE-Ⅲ型钢弦测力仪。在工作面前方埋设应力计对工作面前方固定位置的相对应力变化进行检测，从而对工作面前方的应力分布规律进行反演。将KSE-Ⅲ型钻孔应力计压力枕布置在采掘工作面前方煤体内钻孔中，并且注入液压油，促使探头和煤岩耦合，这样就可以用压力枕内的液体压力来表示煤体应力的变化，并将其转变成为钢弦振动的频率信号，再使用专业软件就可以将其转换为应力值。但是此时测得的应力值是相对变化值而不是绝对值。具体情况见图2。

2.2 选择试验区域

选择某高地应力特软煤层掘进工作面，作为试验区域。该采面的地面标高是+74-+76m，标高是-460--570m，煤层厚度是2.2-3.5m，埋深是534-615m，煤层走向是W53°N，平均厚度是3.1m，倾角为10°～ 18°，该采面煤岩的坚固系数是0.15-0.50。该采面煤层的直接顶是厚度约7.0m的砂质泥岩，使用煤层顶板掘进把锚网索联合支护，该采边的巷道断面是4300mm×3000mm。该区域就比较简单的地质结构，瓦斯含量约为20-22m3/t，瓦斯压力约为1.5-2.0MPa，并且属于突出危险区。

2.3 分析测试结果

图3为沿掘进方向转场的应力发展演化监测曲线。应力计与掘进迎头的距离为8到13m时，监测数据的波动比较微小。当工作面推进到3-8m时，又一直出现了相对高值，接着又逐渐降低。应力计与巷帮垂距相距6m时，受影响的范围较小。应力增高区域为掘进工作面正前方的38m，此时无明显盈利峰值，应力集中系数为1.3。由于试验工作面顶板具有较好的完整程度和较高的硬度，因此直接进入了蠕变状态，没有出现明显的应力增高区。

3 模拟高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律数值

通过离散单元法（ Distinct Element Method）的三维数值模拟程序3DEC数值模拟软件来对高地应力特软煤层掘进工作面应力场分布规律数值进行模拟，并建立相应的模型。将17MPa垂直应力加载模型的上部，并且使巷道围岩的应力进行平衡分布，然后模拟掘进工作面前方应力的分布情况，具体情况见图4。工作面前方3-8m为巷道前方应力增高区域，没有出现明显的应力峰值，应力集中系数为1.05-1.10。

4 结语

在高应力的长期作用下，深部开采煤岩体可能会进入流片状态，出现比较复杂的应力状态分布，甚至煤体屈服会直接进入蠕变状态，表现为应力增高区不出现明显应力峰值。