工作面回采前后围岩应力分布规律研究

张 阳

（山西高平科兴龙顶山煤业有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

随着我国煤炭生产技术水平的提高，矿井生产能力不断增加。据统计，目前我国回采煤层厚度在3.5 m以上的煤炭资源占煤炭总储量的41.2%以上，煤层埋藏深度在1 000 m 以上的煤炭资源占煤炭总储量的54.7%。但是，随着采掘煤层厚度的增加，开采深度加大，矿井地应力破坏现象，如冲击低压、冒顶和围岩变形等越来越严重，主要原因是煤层深度增加，导致围岩内部所受原岩应力增大，采掘施工过程中破坏了原岩应力多向平衡状态，围岩应力重新分配，产生应力集中区，并在采掘施工空间内进行卸压。在卸压过程中对回采煤层、巷道围岩产生严重卸压破坏作用，影响着井下采掘施工。矿井应力破坏，会导致矿井灾害事故发生[1-3]。只有准确掌握围岩应力分布规律以及应力布置形式，才能消除应力对采掘围岩的破坏。本文以龙顶山煤矿15206 工作面为研究对象，对工作面采取FLAC3D 三维模拟，准确分析工作面回采期间顺槽、回采煤柱应力分布规律，为后期围岩控制提供了有力依据。

1 工程概述

龙顶山煤矿15206 工作面位于+850 水平1502采区，以北为15205 工作面采空区，以南为实体煤，以东为15206 运输辅助巷，以西为实体煤。

工作面设计走向长度为790 m，倾向长度为156 m，采煤层位于太原组下部，K2石灰岩为其直接顶板，上距9 号煤层30.94～49.55 m,平均34.42 m，15 号煤层垮落带预计高度为23.4 m，最大导水裂隙带高度为75.59 m，远大于两层煤的最大间距，开采15 号煤层所产生的导水裂隙带会沟通9 号煤层采空区积水。煤层厚度为2.40～4.78 m，平均厚度为3.68 m，普氏硬度为3～4，为厚煤层。井田范围内该煤层中、西部厚度较小，东部厚度较大。含0～2 层泥岩夹矸，结构简单。可采性指数100%，煤层变异系数为22.43%，为全井田可采的稳定煤层，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 15206 工作面回采的15 号煤层顶底板岩性表

该工作面回采所产生的采动压力，可能对周边巷道造成一定程度的破坏，在回采过程中需加强对周围巷道围岩的矿压观测。

2 FLAC3D 数值模拟建立

根据龙顶山煤矿15206 工作面地质条件及围岩应力情况，工作面以底板右下角为基点建立，模型规格参数为：长×宽×高=340 m×200 m×130 m，设置采空区宽度为30 m，头尾顺槽宽度为5.0 m，为了降低四周残余应力影响，将头尾顺槽外侧巷帮向两边水平移动27 m 为边界，整个三维模型采用12 000 个单元格构成。

为了进一步研究不同区域应力集中分布情况，根据15206 工作面FLAC3D 模拟模型应力分布情况（见图1）可知，15206 工作面头尾顺槽掘进后，受水平应力影响小，水平应力主要集中在回采煤层中部，顺槽主要受垂直应力影响大。位于非采空区侧巷道的顶板出现应力释放现象，并形成非对称应力拱，对巷道顶板破坏严重。而采空区侧巷道由于前期采空区形成卸压空间，顶板形成的垂直应力集中区位于巷道煤壁侧肩角煤柱位置，应力对顶板影响小。因此，垂直应力主要以头尾顺槽为研究对象。

图1 15206 工作面巷道掘进后围岩应力分布图

3 围岩应力分布规律分析

3.1 头尾顺槽围岩应力分布规律

巷道掘进过程中破坏了原岩平衡状态，受巷道掘进扰动影响，围岩内部应力重新分布，并在水平和竖直方向产生应力集中区[4-6]。

3.1.1 巷道竖直应力分布规律

根据应力分布图分析可知，15206 工作面的中部以及远离采空区侧巷道（回风顺槽）处于高应力范围内，巷道围岩最大应力达18 MPa，而采空区侧巷道（运输顺槽）相对较低，主要原因是邻近工作面回采后围岩应力得到了释放，使15206 运输顺槽围岩应力相对较低且均匀。而15206 回风顺槽在掘进过程中围岩内部应力重新分布，应力向回采中部煤层移动，使煤层中部产生应力集中区。随着工作面推进，集中应力向巷道围岩释放产生严重破坏作用，所以，远离采空区侧巷道很容易发生灾害事故。

3.1.2 水平应力分布规律

15206 工作面中部煤层受力相对均匀，由于受回采后围岩岩体破断形成岩块铰接结构影响，15206回风、运输顺槽围岩所受水平应力相对较小。巷道掘进后，在一定范围内围岩产生水平应力集中区，且向回采煤层中部移动。同时，受采空区残余应力影响，残余应力以水平应力形式向煤层中部延伸，从而使煤层中部形成水平应力集中区。在回采过程中水平应力瞬间释放，很容易产生冲击地压，造成底板鼓起、煤体垮落等。

3.2 回采期间应力分布规律

工作面在回采过程中产生扰动影响，从而造成工作面煤体及围岩产生应力集中现象，工作面在回采过程中布置4 个测点分别对回采煤层围岩水平应力、竖直应力分布规律进行分析，测点分别布置在距工作面150 m、300 m、450 m 和514 m 处。

3.2.1 竖向应力集中分布规律

由图2-1 可知，工作面在回采过程中煤层所受的竖直应力呈减小趋势，距采空区越近，竖直应力越大，主要原因是工作面回采期间产生超前应力区，同时，受采空区残余应力影响，形成应力集中区，且15206回风顺槽平均应力大于运输顺槽平均应力。由此可见，在回采过程中位于采空区侧煤层所受水平应力小，有利于防治冲击地压。

图2 回采期间煤层距采空区不同位置竖直、水平应力变化曲线图

3.2.2 水平应力分布规律

由图2-2 可知，水平应力主要集中在工作面非采空区侧，且不同测点处随着距采空区距离增加，水平应力呈先上升后下降趋势。在距采空区25 m 范围内，最大水平应力为2.7 MPa，最小水平应力为1.4 MPa。在25～60 m 范围内，各个测点处水平应力呈整体上升趋势，最大水平应力达6.0 MPa。在50～150 m 范围内水平应力均匀，在150 m 后水平应力呈逐渐下降趋势。由此可见，在回采期间回采煤层距采空区50～150 m 处水平应力最大，即位于回风顺槽侧煤体很容易受水平应力破坏，应加强该区域围岩稳定支护。

4 结论

龙顶山煤矿通过对15206 工作面建立FLAC3D三维模型，合理分析了回采前头尾顺槽围岩分布规律以及回采过程中煤柱应力分布规律，得出了以下结论：

1）头尾顺槽在掘进过程中产生应力集中现象，但是，位于采空区侧的巷道由于围岩应力能够通过采空区及时卸压作用，巷道围岩应力场相对较小。而远离采空区侧巷道在掘进过程中，受采动影响，产生较大的竖直应力。因此，需对回风顺槽围岩加强支护。

2）头尾顺槽在掘进过程中产生的水平应力向煤层中部移动，使回采煤层中部产生集中应力区，工作面在回采过程中在超前应力叠加破坏作用下，很容易产生冲击低压，回采期间出现底部鼓起、煤壁片帮等，需对回采煤层中部进行集中卸压作用。