厚煤层开采围岩应力分布规律研究
2022-07-08邓燕华
邓燕华
(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)
国内学术界提出的厚煤层是指煤厚大于3.5 m的煤层[1]。我国各大煤炭主产区均赋存厚煤层，储量约占煤炭资源总储量的40.4%[2].埋深1 000 m以下的煤炭资源量占已探明煤炭资源的53%[3-4].地下岩体之所以发生变形、破坏、冲击、失稳，其根本原因是地下开采或开挖活动破坏了原岩的原始应力平衡[5]，造成区域应力集中。目前煤炭资源开发中常伴随着重大灾害事故，难以有效预测与防治，需要人们从更新的角度去探索开采后的应力集中情况。
本文通过数值模拟、理论分析的手段，研究了工作面上下巷道掘进和工作面推进过程中的应力集中区域分布情况。对厚煤层工作面安全高效开釆具有指导意义。
1 工程背景
山西寺家庄煤矿生产能力500万t/a，主采15号煤层，煤层平均厚度5.67 m，近水平煤层，以15115综采工作面为试验面，煤层厚度5.8 m，走向长度为3 761 m，倾向长度为275 m，采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤工艺。
2 寺家庄煤矿15号煤层建模
充分考虑寺家庄煤矿15115工作面采场及巷道的应力分布变化情况，建立的模型尺寸为：340 m×200 m×130 m，选取模型15115工作面底板右下角为零点建立，采空区宽度30 m，上下巷道为5 m。考虑到应力的影响范围，上下巷道向外扩展27 m为左右边界。整个三维模型共划分8 000个单元，10 099个节点，模型如图1所示。
图1 15115工作面FLAC3D模型
模型的前后边界为固定位移约束，模型的左右和上下边界条件如图2所示。
图2 模型的边界条件
3 模拟结果分析
为了研究工作面回采前后采场周围应力的变化规律，结合寺家庄煤矿15号煤层现场工作面开采顺序，模拟掘进15115工作面上下巷道、工作面分步开采过程中应力集中区域分布情况。
3.1 研究平面的选取
应力集中区域分为竖直应力集中区域和水平应力集中区域。不同类型的应力集中区域产生的位置有所不同。为了便于研究不同应力的集中区域分布规律，通过对15115工作面上下巷道回采后模型应力分布情况(图3、图4)进行分析得出，煤层竖直应力集中区域在巷道顶板附近，煤层水平应力集中区域为煤层中部。因此，在下文进行集中区域研究时，竖直应力集中以沿煤层倾向巷道顶板平面为主要研究对象，水平应力集中以煤层中部平面为主要研究对象。
图3 15115上下巷道掘进后模型竖向应力云图
图4 15115上下巷道掘进后模型水平应力云图
3.2 15115工作面上下巷道掘进后应力集中区域分布
对15115工作面上下巷道进行数值模拟，得出煤层应力云图和应力分布曲线。由于上下巷道的开挖对巷道周围岩体进行了扰动，应力重新分布，形成了应力集中区域。
3.2.1 竖向应力集中区域分布
由图5、图6可知，煤层中部竖直应力场及下巷道应力场较大，下巷道附近应力最大为19.1 MPa。这是由于相邻煤层开采后，围岩压力已经释放，15115巷道附近压力较低且均匀。下巷道在煤层中掘进，掘进后导致采区边界围岩应力重新分布，矿山压力向实体煤侧转移，内部支承压力明显升高。离采空区距离越远，应力受采空区影响越小，采场应力逐渐增大。因此，15115采场下巷道发生灾害事故的可能性较大。
图5 竖直应力云图
图6 监测点上垂直应力
3.2.2 水平应力集中区域分布
由图7、图8可知，煤层中部水平应力分布较平均，受顶板破断后岩块铰接结构影响，上下部巷道全长段水平应力均较小。由于采空区的影响，水平应力向煤层内部延伸，大大增加了中部位置水平应力的集中程度。巷道开挖后，顶板、底板一定的范围内，水平应力急剧增加，不利于围岩的稳定性。煤层中部水平应力很大，集中系数很高，易发生冲击地压，造成顶板垮落、底板隆起。
图7 15115水平应力云图
图8 15115监测线上水平应力
3.3 15115工作面推进过程中应力集中区域分布
由于工作面的推进对周围岩体进行了扰动，应力重新分布，形成了应力集中区域。
3.3.1 竖向应力集中区域分布
由图9、图10可知，随着工作面的推进煤层顶板的竖向应力峰值呈现先增大后减小的趋势。受采空区的影响，上巷平均应力小于下巷的平均应力，且小于原岩应力，上下巷位置附近较稳定，有利于巷道的稳定性和冲击地压的防治。
图9 15115工作面推进竖直应力云图
图10 15115监测点上垂直应力
3.3.2 水平应力集中区域分布
由图11、图12可知，水平应力主要集中在工作面中部，工作面推进至150 m，水平最大应力达到6 MPa，工作面推进至300 m，水平最大应力达到6.1 MPa，工作面推进至450 m，水平最大应力达到6 MPa，工作面推进至514 m，水平最大应力达到5.9 MPa。采空区侧上巷压力呈现逐渐递减的趋势，上巷底板压力较小，下巷压力范围及数值保持稳定。综上所述，重点对工作面中部进行卸压，保证工作面开采过程中的安全稳定。上下巷两帮压力较小且稳定，开采过程中安全稳定。
图11 15115工作面推进水平应力云图
图12 15115监测点上垂直应力
4 结 语
通过对15115工作面上下巷道、工作面分步开采过程的模拟，分析了厚煤层在两种情况下周围岩体应力集中区域的分布情况，得出结论如下：
1) 上下巷道的开挖导致远离采空区的下巷道竖直应力场较大，距采空区较远的巷道发生灾害事故的可能性较大。
2) 上下巷道的开挖造成煤层中部水平应力很大，集中系数很高，易发生顶板垮落、底板隆起以及相关动力灾害。
3) 工作面的推进过程中水平应力主要集中在工作面中部，应重点对工作面中部进行卸压，保证工作面开采过程中的安全稳定。
