深井综放工作面应力分布与采动影响规律分析

彭志刚

【摘 要】 煤层埋深增大工作面围岩压力与采动影响会发生较大变化。文章针对该问题，以山西某矿地质条件为基础，对深埋煤层40202综采工作面开采后围岩应力分布情况与采动影响进行了研究。采用理论分析与数值模拟方法得出煤层埋深增大后同样会在侧向形成支承应力的分布，但侧向应力集中现象将会加剧;工作面开采后巷道围岩塑性破坏范围加大，破坏影响主要集中在巷道煤柱帮一侧。根据现场对巷道各位置锚杆受力情况的监测结果，煤柱帮锚杆受力明显大于实体煤帮，表明本文研究结果具有一定的准确性。

【关键词】 深井工作面;应力分布特征;塑性区;锚杆拉力

【中图分类号】 TD311 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）03-0007-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

我国煤炭资源赋存范围较广，赋存条件也多种多样，由于煤层在埋深、厚度以及力学特性方面的差异性，煤层开采后对周围岩体的塑性区影响和应力分布情况也有着较大的差异性。目前浅部煤炭资源日渐枯竭，煤矿开采在不断地向深部转移，由于煤层埋深的增大，会导致围岩应力水平在不断地升高，煤层对周围岩体的采动影响也有了较大的变化，因此对深井煤层开采后的采动影响及应力分布特征研究十分重要。

1 矿井概况

山西某矿40202工作面开采煤层为4号煤层，煤层厚度平均为14m，倾角平均为2°，埋深达到平均为680m，属于典型的深井综放工作面。工作面北部为40203工作面，南部为40201工作面，其中40201工作面已开采完毕，40203工作面运输巷正在掘进，工作面布置如图1所示。40203运输巷高度为4m，宽度为6m，沿底板掘进。

2工作面侧向围岩压力分析

工作面煤层开采过后，周围岩体内的应力分布情况出现改变，在工作面周围形成支承压力。由于煤层埋深以及厚度等条件的差异，周围岩体内的应力分布状况也有着较大的差别。深井工作面煤层埋深较大，地应力水平较高，相比较于浅埋煤层，围岩压力会有较大提升。在综采工作面推进过程中，在水平方向会形成煤壁支撑区a、离层区b、重新压实区c以及原岩应力区d，分区如图2所示。

煤壁支撑区承载压力较大，煤壁内部应力呈现升高状态，并且随着与煤壁的距离增大煤体承受压力也逐渐增大，直至恢复原岩应力，一般可将煤壁支撑区作为应力升高区。离层区主要由于顶板岩层厚度、物理力学性质的差异而产生，岩层断裂步距有着一定的差异性，在不同步距断裂现象下，岩层产生离层。离层区岩层由于顶板的断裂，内部应力以及积蓄的能量释放，因此呈现应力下降的特征。重新压实区内主要为顶板岩层冒落的矸石，在顶板载荷下，冒落矸石内的裂隙逐渐闭合，形成压力较为稳定的区域。

工作面侧向的压力分布与推进方向大致呈现相同的特征。图3为工作面侧向压力分布特征，从图中可以看出，工作面回采过后，顶板岩层的载荷大部分由巷道的保护煤柱支撑，因此煤柱内多有应力集中现象出现，峰值為KγH，远离应力集中区域应力开始下降。受高应力区域的影响，巷道围岩稳定性差，易出现大量变形。由于深埋煤层地应力水平有所增大，煤柱内应力集中情况也有所加剧，因此对相邻工作面开采的具体影响情况进行分析，对后续的巷道围岩控制方案制定具有着重要的作用。

3数值模拟分析

为客观地看到工作面开采对巷道围岩的影响情况，将采用数值软件对整个回采过程中巷道围岩的变化情况进行分析。

数值模型按照40202工作面与40203巷道地质条件进行建立，40202工作面的模拟长度为150m，40203运输巷与40202工作面之间的煤柱宽度设计为20m，模拟推进距离为100m，巷道大小宽×高为6m×4m，煤层顶、底板各取30m，在模型的四周取50m来去除模型开挖带来的边界效应，因此建立模型的大小长×宽×高为200m×276m×74m。

由于4号煤层埋深较大，整个模型的应力场环境与普通浅埋煤层模型有着一定的差异，具体表现为水平应力要大于垂直应力，在此两者的比值设计为1.3∶1。模型在底部设置为固支边界，顶部为载荷边界，施加的载荷大小主要由煤层的埋深决定，这里4号煤层的埋深平均为680m，由于模型中模拟的顶板厚度为30m，其余覆岩均以载荷方式施加于模型顶面，因此施加的载荷大小为16.6MPa，模型的侧面限制水平方向的位移。

图4为40202工作面开采后侧向0～30m的支承压力分布情况，从图中可以看出，侧向支承压力呈现先增大后减小再增大的趋势，在侧向0～4m范围内，压力在逐渐增大，并且速度较快，在4m处支承压力达到最大，为31.5MPa;在侧向4～16m范围内，压力不断地降低，降低的速度先快后慢;在16～30m范围内，支承压力较为平缓，由于侧向20～26m范围为40203巷道，因此可知巷道已经处于应力稳定区域内，这与上述理论分析结果基本一致。由于工作面侧向的应力峰值为31.8MPa，原岩应力大小约为17.1MPa，因此可得煤柱内的最大应力集中系数即两者比值为1.86，一般浅埋煤层应力集中系数多在1.2～1.5范围内，由此看来，煤层埋深增大后，工作面开采后围岩的应力水平将有明显增大。

图5（a）为40203巷道掘进完成后围岩塑性区的分布情况，从图中可以看出，巷道初始掘进完成后，在周围会形成塑性分布，在顶板和底板的塑性分布范围要大于巷道两帮，顶板和底板最大破坏高度达到2m，主要在巷道中部位置，两帮的最大破坏宽度为1m，呈现对称分布，此时巷道围岩的破坏整体较小。图5（b）为相邻40202工作面在开采过程中对40203巷道塑性区影响情况，对比图5（a）可以发现，受到相邻工作面的回采影响，巷道围岩的塑性区有了明显的增大，主要表现在巷道的两帮。顶板的最大破坏高度没有变化，仍为2m，仅在面积上有所增加，底板的破坏高度变为3m，主要在巷道两底角变大。巷道两帮的塑性区有了明显的增大，两帮塑性区呈现不对称性，靠近采空区一侧围岩塑性区大于实体煤帮一侧，煤柱帮的最大破坏宽度为4m，实体煤帮的最大破坏宽度为2m，这是由于巷道煤柱帮的结构在相邻工作面的采动影响下发生了再次的运动，煤柱内部分区域的载荷大于其自身承载能力从而出现屈服破坏。

综合上述数值模拟结果，在工作面开采煤层埋深增大后，会引起周围岩体应力水平的增大，并且相邻40202工作面的回采会引起40203巷道围岩塑性区明显增大，导致巷道围岩变形加剧。

4结论

本文针对山西某矿地质条件，对相邻工作面回采围岩的应力分布情况与回采影响情况进行了研究，研究结果如下：

（1）深埋煤层工作面开采后同样会在侧向形成支承应力，支承应力的分布大致呈现先升高后降低再逐渐稳定的分布，但由于煤层埋深的增大，侧向应力集中现象有所加剧。

（2）通过数值模拟方法对工作面侧向应力分布情况与工作面的回采影响进行了分析，相邻40202工作面在回采后，40203工作面巷道处于侧向应力分布的应力稳定区域，侧向应力集中情况要比浅埋煤层条件下严重，工作面开采后巷道围岩塑性破坏范围加大，破坏影响主要集中在巷道煤柱幫一侧。

（3）对现场40203巷道各位置锚杆受力情况进行了监测，锚杆受力呈现平稳、加速上升与缓慢上升三个阶段，煤柱帮锚杆受力明显大于实体煤帮，该结果与理论分析、数值模拟结果基本一致，从而验证了本文分析结果的准确性。

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