特厚煤层综放工作面采动应力演化规律研究

2018-12-05窦晓剑

山东煤炭科技 2018年6期

窦晓剑

(大同煤矿集团同发东周窑煤业有限公司，山西大同 037000)

东周窑矿开采特厚煤层厚度为15m，工作面上部赋存有多层坚硬砂岩。特厚煤层由于开采空间大，覆岩运动范围大，覆岩运动持续时间长，增加了工作面开采难度[1-4]。为了研究特厚煤层综放开采矿山压力显现的特殊性，本文采用数值模拟方法，研究特厚煤层工作面开采过程中的工作面围岩应力演化规律，为工作面安全开采提供理论指导。

1 特厚煤层采动应力数值模型建立

依据东周窑矿8106与8105工作面的相互位置关系，利用FLAC3D软件建立数值计算模型，研究工作面推进过程中采动应力场分布规律。模型长×宽×高=700×600×150m（图1），共建立648960个单元，683995个节点。各煤岩层力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数

图1 工作面走向模型图

2 特厚煤层采动应力数值分析

图2～图4为工作面推进不同位置时顶板应力分布图，表2为工作面推进不同位置超前支承压力峰值情况。由图可知，当工作面推进至200m时(工作面见方，即工作面采空区顶板悬露距离与工作面长度相当)，超前支承压力峰值达到最大26.8MPa。采空区见方阶段，上覆坚硬厚岩层在回采过程中由于岩层运动积聚了大量的弹性能量，同时下位坚硬岩层的断裂转移上来的水平应力也都聚集在高位硬岩层上，造成工作面矿压显现明显。

工作面推进至390～410m (第二次见方)、575～610m(第三次见方)时，超前支承压力峰值再次达到最大。随着工作面推进，支承压力的变化循环反复。模拟结果显示，当工作面见方时，工作面超前支承压力峰值最大，工作面采动应力场的变化受采空区尺寸的影响。

表2 8106工作面推进过程超前支承压力峰值情况

图5为支承压力峰值的变化曲线，由图可知，工作面推进至见方位置（推进200m、400m和600m）时，超前支承压力峰值升高，推过见方位置应力降低，第一次见方前方支承压力最大，达到了26.8MPa；随着工作面的继续推进，见方时超前支承压力虽有升高，但已不明显。由工作面侧向支承压力变化曲线可知，随着工作面推进，侧向支承压力峰值不断升高，不受工作面见方与否的影响，当工作面推进400m后侧向支承压力开始大于超前支承压力，当工作面推进距离大于500m后侧向支承压力达到最大值并趋于稳定，应力值为27.5MPa。现场5105巷矿压显现明显开始于8106工作面推进517.8～525.2m时，数值模拟结果与其相吻合，8106工作面推进距离超过500m，侧向支承压力达到最大，对5105巷的围岩稳定造成明显影响。

图2 8106工作面推进200m时顶板应力分布

图3 8106工作面推进410m时顶板应力分布

图4 8106工作面推进610m时顶板应力分布

图6为8106工作面5105巷帮5m处垂直应力变化曲线。由图可知，随工作面推进距离的增加，5105巷的煤柱侧帮中垂直应力在不断增大，并且当8106工作面推进500m后，其工作面后方120～260m之间5105巷的煤柱侧帮中的垂直应力最大，最大值为25～26MPa，在高应力的作用下，5105巷的围岩稳定性将受到较大的影响，导致巷道变形明显。

图5 工作面超前支承压力与侧向支承压力变化曲线

图6 采空区范围煤柱中垂直应力分布

3 特厚煤层工作面矿压显现综合分析

通过现场矿压数据统计及数值模拟结果，8106工作面矿压显现特征及对邻近5105巷矿压显现的影响作用表现为：

（1）推进距离与工作面长度相当时（“见方”），顶板的运动与破坏对工作面超前支承压力的影响明显，应力峰值升高明显；当工作面推进距离大于500m后，采空区顶板的运动对煤柱中的应力分布影响明显，并且工作面后方120～260m为最大影响区域，应力最大为25～26MPa，该区域紧随工作面的推进，此高应力范围是引起5105巷剧烈变形的主要原因之一。采空区悬露顶板每次“见方”时，覆岩都要达到充分采动周期，此时覆岩的剧烈运动，形成的矿山压力较大，影响范围较大，造成邻近工作面回采巷道矿压显现明显，围岩变形破坏严重。

（2）8106工作面上覆坚硬厚层顶板不易垮落，悬顶时积聚能量，3～5#煤层厚层坚硬顶板积聚的弹性势能的突然释放对5105巷形成强烈震动与冲击。8106工作面坚硬顶板弹性势能释放引起的冲击、岩层运动形成的垂直方向的压力及侧向的挤压力影响与控制着5105巷的矿压显现。