煤峪口矿孤岛综采面采动应力场与支架适应性分析

李健伟

(山西大同煤矿集团有限公司 煤峪口矿，山西 大同 037003)

为缓解矿井接续紧张局面、降低煤层自燃风险，采区内通常采用跳采方式回采，这样就会形成一个两侧、三侧，甚至四侧采空的工作面，这类工作面称之为孤岛工作面[1-2]。由于工作面煤体处于多处采空区支承应力范围内，煤体应力重复叠加，造成煤体应力升高区范围加大，导致工作面矿压显现严重，诱发工作面冲击矿压[3-5]。煤峪口矿8605工作面为煤峪口矿406盘区规划的工作面，其北部和南部分别为8603采空区和8607采空区，该工作面属于孤岛工作面，工作面开采14-2号煤层，煤层平均厚度2.5 m，平均倾角2°，属近水平煤层，煤层顶板和底板岩层以砂岩和页岩为主，工作面采用综合机械化采煤，采煤机型号MG300/700-WD，液压支架型号ZZS-6000/17/37，刮板机型号SGZ-764/400，工作面长度179.9 m，推进长度540 m。

1 孤岛综采面采动应力场分布

煤体应力是影响工作面矿压显现的重要因素之一，为分析孤岛综采面应力分布特征，采用FLAC3D数值模拟软件进行煤峪口矿孤岛综采面采动应力场分布的研究，模型尺寸长、宽、高分别为400 m、400 m、300 m。模拟时简化模型尺寸，工作面模拟长度90 m，模拟推进长度270 m，模型四周和底部固定位移，上部施加均匀载荷模拟覆岩重力。

图1给出了试验工作面单侧采空下采动应力场分布云图。如图1所示，煤层应力升高区主要位于采空区四周，可以明显看出，工作面走向方向两侧的采动应力大于工作面前后，两侧煤层邻近采空区时应力较小，远离采空区后应力迅速增加至应力峰值，应力值约21.0～23.0 MPa，之后迅速降低至原岩应力，应力值约10.0 MPa。

图1 单侧采空下采动应力场分布云图

图2给出了试验工作面两侧采空下采动应力场分布云图。如图2所示，与单侧采空采动应力场分布类似，煤层应力升高区主要位于两侧采空区四周，可以明显看出，工作面走向方向两侧的采动应力大于工作面前后，两侧煤层邻近采空区时应力较小，远离采空区后应力迅速增加至应力峰值，应力值约24.0～27.0 MPa，相比单侧采空采动应力增加了3.0～4.0 MPa，之后迅速降低至原岩应力，对比图1和图2可知，受重复采动影响，双侧采空应力升高区范围大于单侧采空。

图2 双侧采空采动下应力场分布云图

图3给出了模拟开采40 m、150 m、260 m时期试验工作面下采动应力场分布云图，如图所示，工作开采40 m范围时(模拟开采初期)，应力场分布近似呈马鞍状，工作面中部前方煤层应力峰值在约20.0 MPa，工作面端头处煤层应力峰值达30.0 MPa；工作开采150 m范围时(模拟开采中期)，采动应力和应力升高区范围明显增大，工作面中部前方煤层应力峰值超过了30.0 MPa，工作面端头处煤层应力峰值超过了40.0 MPa；工作开采260 m范围时(模拟开采末期)，煤层应力峰值在约35.0 MPa，同比模拟开采初期应力有所增加，模拟开采末期有所减小。

图3 工作面回采采动应力场分布云图

2 支架适应性分析

2.1 支架工作阻力校核

采用经验公式进行校核支架工作阻力。工作面合理支护强度Q应满足式(1)。

Q=HrK

(1)

式中:H为工作面采高，r为顶板岩层容重；K为支架承载覆岩厚度与采高之比，这里取H=3.3 m，r=2 500 N/m3，K=5。经计算工作面合理支护强度Q=412.5 kN/m2，现场实测的支架初期来压时平均支护强度约580 kN/m2，因此校核时取较大的支护强度。

根据公式(2)将支护强度Q换算为支架工作阻力P。

P=Q(Lk+Ld)B

(2)

式中，Q为支架支护强度，Lk为顶板岩层断裂距离，Ld为顶板岩层梁体结构长度，B为支架宽度，这里取Q=580 kN/m2，Lk=0.3 m，Ld=5.24 m，B=1.5 m。经计算支架工作阻力P=4 820 kN，与ZZS-6000/17/3型液压支架的额定工作阻力6 000 kN相比，完全可以满足现场所需的支护强度，表明选型的合理性和可靠性。

2.2 支架受力分析

在8605工作面选取端部和中部各5架液压支架作为测站，监测工作面回采时的液压支架受力情况，表1给出了工作面矿压观测统计表，监测结果表明，位于端部和中部的矿压显现规律有所不同。回采初期，位于端部区域的支架受力相对于工作面中部区域较小，同时，由于回采初期支架调整缓和了覆岩活动，导致工作面初次来压较小，工作面初次来压步距为41.1 m，初次来压强度15.8 MPa，初次来压后，工作面每推进15.0～25.0 m出现周期来压现象。回采中期，周期来压强度22.3 MPa，工作面中部区域来压现象更为明显，周期来压步距约为21.7 m。回采末期，周期来压强度19.8 MPa，总体看，矿压显现规律与综采面采动应力场分布特征相互对应。

表1 工作面矿压观测统计

3 结 语

孤岛综采面受多处采空区支承应力影响，工作面矿压显现严重。研究了单侧采空下、双侧采空下采动应力场分布特征，受重复采动影响，双侧采空应力升高区范围和应力峰值均大于单侧采空，分析了本工作面初期、中期、末期回采时的采动应力场分布特征和支架受力情况，分析表明由于开采中期采动跨距相对较大，采动影响最为明显，总体看，支架受力和采动应力场分布相互吻合。