羊场湾煤矿160203工作面强矿压显现规律分析

文 / 王立峰 魏启明

羊场湾煤矿以160203工作面为研究对象，采用FLAC3D软件对该工作面强矿压显现规律进行研究。研究表明，该工作面受到临近采空区的侧向支承压力的叠加导致工作面沿走向的超前支承压力回采至900m时才出现稳定，稳定值为50MPa左右；工作面回风巷开采位置前30m处，应力开始处于单峰上升形态，在进入160201工作面采空区后开始出现双峰状态，最终在停采线区域达到最大值68MPa。该研究对矿井安全生产具有重要的保障作用，并对类似工作提供了有益的借鉴。

一、工作面概况

羊场湾煤矿160203工作面位于羊场湾煤矿一号井井田中部，走向长1292m，倾斜长为295m。采用走向长壁综合机械化开采，采二号煤层，采厚5.6m，全部垮落法管理顶板，为综采工作面。

工作面二号煤层厚度在7.91～8.26m之间，平均厚度为8m，煤层埋深在516～624m之间，平均埋深570m，平均倾角为10°，属于深埋缓倾斜煤层。煤层顶板由粉砂岩、砂质泥岩以及细砂岩组成。工作面西侧为160201工作面的采空区，两工作面之间布设有约35m宽的煤柱。

二、工作面强矿压显现规律研究

1.建立模型

以160203工作面钻孔综合柱状图及采区内平面布置图为基础，并对条件进行适当简化，建立数值模型。160201工作面和160203工作面走向长度分别在800m左右和1250m左右，倾向长度均为300m。

模型上覆岩层产生的压力按静水压力大小在模型上边界施加均布载荷。模型顶端施加的等效载荷按公式计算得到：

式中：γ—覆岩的体积力，25kN/m3；

H—模型顶界的深度，m。

煤层平均埋深以500m计算，模型高119m，根据上式计算，模型中煤层初始应力为13MPa左右，在模型上边界施加的等效垂直应力载荷为10MPa左右。对于模型计算的边界条件，首先对模型的四周各边界施加水平约束，即四周边界的水平位移为0；然后再将模型的底部边界固定，即底部边界的水平、垂直位移都为0；最后将模型的顶部设为自由边界。

2.模拟结果分析

（1）工作面超前支承压力演化分布规律

对于160201工作面，按照依次回采100m、800m进行开挖，共模拟回采800m。据回采过程中应力场分布演化模拟结果表明，随工作面向前推进，采场附近的应力集中程度和区域不断变化。在工作面开挖面积较小时，应力集中以工作面采空区前后区域为主。随工作面开挖面积增大，工作面采空区四周具有相似的应力集中，并最终变为以采空区两侧为主。

此外，由于煤层存在10°左右的倾角，工作面开挖后形成的应力场并非完全对称，而是应力集中区域整体偏向下侧的160203工作面，对于160203工作面回采时的应力场分布和演化具有明显的影响。

为进一步分析160201工作面回采期间工作面走向的超前支承压力分布规律，在160201工作面中部处沿走向方向提取160201工作面开挖阶段超前支承压力值，如图1所示。由图1可知，随着160201工作面回采，超前支承压力峰值先不断上升，后逐渐稳定在40MPa左右（应力集中系数大概3.1），深度一般在工作面前方15m左右。

图1 160201工作面沿走向超前支承压力分布

对于160203工作面，按照依次回采100m、300m、500m、700m、900m和1250m进行开挖，模拟回采长度为1250m。

随着160203工作面向前推进，采场附近的应力集中程度和区域不断变化。在回采初期，160203工作面采空区附近应力场基本不受160201工作面采空区的影响，其应力场演化特征与160201工作面回采初期的应力场演化特征一样。在160203工作面回采至大概400m时，其超前支承压力开始明显和160201工作面的侧向支承压力叠加在一起。随160203工作面向前推进，这种支承压力的叠加效应更强更明显。随后在整个回采期间，160203工作面都表现出一种从工作面上端头向机巷停采线区域逐渐弱化的应力场分布特征。

为进一步分析160203工作面回采期间工作面走向的超前支承压力分布规律，在Y=300m（160203工作面中部）处沿走向提取160203开挖阶段超前支承压力值，如图2所示。由图2可知，随着160203工作面回采，工作面超前支承压力也在随之变化。总体上，超前支承压力峰值先不断上升，最后逐渐稳定在50MPa左右（应力集中系数大概3.8），深度一般在工作面前方15m左右。与160201工作面不同的是，160203工作面在回采至大概900m左右时，超前支承压力峰值才开始逐渐稳定在50MPa左右，而160201工作面在回采至400m左右时其超前支承压力峰值就开始稳定在40MPa左右。

图2 160203工作面沿走向超前支承压力分布

（2）工作面煤柱区段应力演化分布规律

在160203工作面回采过程中，为了研究开采活动对160203工作面回风巷的影响，提取160201工作面与160203工作面之间的区段煤柱应力进行分析。监测位置选择在开采位置前方30m处煤柱内沿倾向方向。同时，提取距离160201工作面开切眼30m处的煤柱内沿倾向方向的竖向应力值。

通过区段煤柱应力分析，在160203工作面回采期间，其前方30m处煤柱区域的应力分布演化表现出与超前支承压力类似的规律。在工作面回采初期，其应力分布为单峰状态，且随工作面推进，峰值应力逐渐升高。在进入160201工作面采空区区域后，煤柱内的应力分布变为双峰状态。刚进入160201采空区区域时，160203工作面回风巷侧的应力峰值比160201工作面机巷侧的应力峰值大。随后，煤柱两侧的应力峰值逐渐变为相等。最终，在停采线区域，煤柱中的应力峰值最大达到68MPa左右，对应应力集中系数约为5.2。

三、结论

1. 工作面回采过程中，超前支承压力峰值呈先升高后未稳定的趋势，160201工作面约在回采400m处，超前支承压力峰值开始稳定，最大值约为40MPa；由于160201工作面采空区侧向支承压力和煤层倾角的影响，160203工作面回采至900m时超前支承压力开始出现稳定，峰值约为50MPa。

2. 临近工作面的采空区是导致160203工作面超前煤柱区应力水平升高、煤柱竖向应力急剧变化的主要原因。工作面回采至160201工作面采空区后，其超前煤柱区域的应力水平开始明显升高，最高值约为68MPa，出现在停采线附近；当160203工作面回采接近160201工作面切眼时，160201工作面前方30m位置处煤柱内竖向应力处于双峰状态，并先慢后快逐渐升高。当160203工作面回采过160201工作面前方30m监测线后，对应煤柱两侧的支承压力峰值重合，由双峰状态变为单峰状态，应力峰值急剧增大，将极易发生整体破坏并释放聚集的大量弹性能。