对采对掘工作面围岩应力分布规律研究

白志强

（山西潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036700）

与一般“双巷布置”、“三巷布置”工作面相比，对采对掘时工作面接替更快，生产效率能得到有效提高。而对采对掘产生的工作面超前应力集中及侧向应力集中，造成矿压显现十分明显。

山西潞安孟家窑矿受生产衔接影响，1306材料巷掘进过程中与现采1304工作面间存在对采对掘现象，交锋地段顶板受1304工作面侧向应力集中影响，1306材料巷顶板破碎下沉，给矿井安全生产带来极大影响，有必要通过地质资料调查、数值模拟等方法，研究对采对掘中1306材料巷围岩破坏规律。

1 工程地质条件

1304工作面埋深约400 m，工作面主采2号煤，2号煤层厚度约为3 m，煤层倾角平均为6.5°，属于近水平煤层，煤层偶尔见夹矸，但厚底较小，煤层构造简单，煤层顶板为砂质泥岩、细砂岩、中砂岩等，厚度约为12 m，煤层底板主要为细砂岩，厚度约为6 m，1304工作面与1306工作面之间留设10 m区段煤柱，工作面布置如图1。

图1 对采对掘工作面布置图

2 数值模拟分析

2.1 数值模拟模型建立

为研究对采对掘相遇时1306材料巷围岩变形破坏特征，运用FLAC3D软件，建立数值模拟模型，模型尺寸长×宽×高=80×40×20m，共划分为28800个单元，模型的底部和四周定义为位移边界，分别限制模型左、右两面的x方向位移，前、后两面的y方向位移；底部限制x、y、z方向的位移；顶部为应力边界。模型煤层埋深400m，从下往上依次是6m细砂岩、3m煤、2m砂质泥岩、4m细砂岩、6m中砂岩；平均容重取26kN/m3，模型顶部施加约10MPa的均布垂直应力。建立的数值模拟模型如图2所示。数值模拟中岩层力学参数见表1。

图2 数值模拟模型图

表1 各岩层物理力学参数

2.2 数值模拟结果分析

（1）采掘过程中工作面支承应力分布云图

从图3中可以看出采掘相距20 m时，工作面的超前支承压力峰值为20 MPa，侧向支承应力峰值为10 MPa左右，围岩应力集中不明显，巷道围岩的应力比较低，这个阶段掘进不会出现冒顶、底鼓等矿压现象；采掘相遇时工作面超前支承压力峰值为36 MPa，侧向支承应力峰值为19 MPa左右，工作面超前支承应力集中显著，侧向支承应力集中开始影响1306材料巷的掘进；采掘相错20 m时，工作面超前支承压力峰值为41 MPa，侧向支承应力峰值为45 MPa，当采掘相错时，侧向支承应力集中要大于超前支承应力集中，相差约4 MPa左右，此时的1306材料巷受压明显，掘进困难，会出现一系列动压现象，如锚杆断裂或滑露、顶板冒顶、巷壁片帮，底板鼓出等。

图3 采掘过程中工作面支承应力分布云图

（2）对采对掘工作面侧向支承应力分布规律

在工作面后方y=50 m的煤柱上布置监测线，观测随着采掘的进行，工作面靠区段煤柱侧的侧向支承应力值及其分布规律。如图4。

图4 采掘过程中工作面支承应力分布云图

从图4中可以看出采掘相距20 m时，工作面侧向支承应力较低，应力峰值为16 MPa。出现在距离工作面1 m的位置，随后开始降低趋于15 MPa达到稳定。采掘相遇时，工作面侧向支承应力集中达到20 MPa，应力峰值位置出现在距离工作面3 m的位置。随后应力开始降低趋于16 MPa达到稳定。采掘相错20 m时，侧向支承应力集中增大到47 MPa，峰值出现在距离工作面3.5 m的位置，随后应力开始降低趋于17 MPa达到稳定。工作面侧向支承应力峰值位置位于距离工作面3.5 m，现场留设10 m的区段煤柱比较合理。

3 结论

（1）通过数值模拟结果分析可知：采掘相距20 m时，工作面的超前支承压力峰值为20 MPa，侧向支承应力峰值为10 MPa；采掘相遇时工作面超前支承压力峰值为36 MPa，侧向支承应力峰值为19 MPa；采掘相错20 m时工作面超前支承压力峰值为41 MPa，侧向支承应力峰值为45 MPa，工作面侧向支承应力集中峰值大于超前支承应力峰值，此时，侧向支承应力对围岩的破坏起主导作用。因此，对对采对掘工作面中，采掘相遇之前，工作面的超前支承应力峰值大于侧向支承应力，采掘相错以后，侧向支承应力要大于超前支承应力。

（2）通过数值模拟结果分析可知：工作面侧向支承应力峰值最大为45 MPa，峰值距工作面最远3.5 m，距巷道最小距离6.5 m；现场对采对掘工作面留设10m区段煤柱比较安全。