特厚煤层综放开采矿压显现规律数值模拟研究

贾晓峰

(山西汾西新柳煤业有限责任公司，山西 孝义 032300)

国内外对厚煤层工作面的矿压显现规律进行了大量研究［1－4］，但对特厚煤层的研究较少。本文以某煤矿为研究背景，采用FLAC3D数值模拟软件，通过对工作面和回采巷道的矿压显现规律进行分析，对特厚煤层的矿压显现规律进行研究，为煤矿的安全生产提供理论指导。

1 工作面概况

某煤矿开采石炭二叠系3#～5#煤层为特厚煤层，煤厚厚度平均为15.3 m。工作面老顶为中细砂岩、含砾粗砂岩，直接顶为粗砂岩，直接底为炭质泥岩。开采过程中，出现了工作面回采对临近巷道的影响作用明显。8107与8106工作面为相邻工作面，位置关系图见图1。

图1 8105、8106工作面位置关系图

两工作面之间留设有45 m宽的保护煤柱。5107巷为8107工作面的回风顺槽，临近8106工作面采空区，巷道断面为矩形，净宽5 300 mm，净高3 700 mm，净断面9.61 m2。8107工作面自开切眼推进至约250 m后，5107巷距工作面20 m范围压力开始显现明显，出现片帮、顶板下沉、底鼓、支柱折损、锚杆(索)拉断等现象，影响了巷道的安全使用。

2 数值计算模型建立

为确定5107巷围岩失稳的影响因素，依据5107巷围岩环境及实际开采条件建立数值计算模型。模型长 ×宽 ×高 =700 m×557 m×142 m，共建立624 160个单元，650 465个节点。模拟内容为8106工作面回采前后，随8107工作面推进5107巷的应力分布情况。模型模拟工作面推进的距离为600 m，每步开挖20 m，共开挖30步。模拟分两种情况进行，1)8106工作面不开采，确定8107工作面开采对5107巷的影响作用。2)8106工作面已开采，确定5107巷随8107工作面推进，其巷道围岩应力的变化情况。

3 特厚煤层综放开采矿压显现规律分析

3.1 工作面超前支承压力分布规律

1)8106工作面未开采。

8107工作面推进不同位置时工作面超前支承压力分布情况见图2。

图2 81062工作面未开采时超前支承压力分布图

由图2可知，随着工作面的推进超前支承压力峰值不断增大，当工作面推进至200 m时，超前支承压力峰值达到最大并趋于稳定。工作面超前支承压力影响范围约为80 m，其中，0～8 m为应力降低区，8～80 m为应力升高区，14～18 m为支承压力峰值区，应力最大为25～27 MPa;大于80 m后为原岩应力区。

2)8106工作面已开采。

8107工作面推进不同位置时工作面超前支承压力分布情况见图3。

图3 81062工作面已开采时超前支承压力分布图

由图3可知，当8106工作面回采完毕后，随着8107工作面的推进超前支承压力峰值不断增大，当工作面推进至200 m时，超前支承压力峰值达到最大并趋于稳定。工作面超前支承压力影响区域划分没有发生变化，应力峰值变化较大，峰值最大为27～29 MPa，较无邻近采空区影响时提高了 11.5% ～12.5%，可见采空区对8107工作面超前支承压力的影响是较为明显的。

3.2 回采巷道围岩应力分布规律

8107工作面推进不同距离时位于工作面前10 m和80 m处5107巷的垂直应力峰值情况见表1。

表1 工作面超前支承压力和巷道围岩应力情况表

由表1可知，8106工作面已开采时，随工作面的推进位于工作面前方10 m处的巷道围岩应力逐渐升高，而位于工作面前方80 m处的巷道围岩应力变化较小。当工作面推进100 m时，超前工作面10 m和80 m处巷道的垂直应力峰值分别为30.9 MPa和26.4 MPa。当工作面推进300 m时，超前工作面10 m和80 m处巷道的垂直应力峰值分别为40.9 MPa和27.9 MPa。由此可见，受采空区与超前支承压力的双重影响，5107巷的围岩应力较无采空区影响时增大明显，高应力的长期作用将导致围岩失稳。

8106工作面未开采时，随8107工作面的推进位于工作面前方10 m处的巷道在超前支承压力的影响下围岩应力逐渐升高，而位于工作面前方80 m处的巷道围岩应力变化较小。当工作面推进100 m时，超前工作面10 m和80 m处巷道的垂直应力峰值分别为21.0 MPa和17.1 MPa。当工作面推进300 m时，超前工作面10 m和80 m处巷道的垂直应力峰值分别为24.7 MPa和17.6 MPa。由此可见，5105 巷在无邻近采空区影响下，巷道围岩应力集中程度不高，围岩能够保持稳定状态。

3.3 特厚煤层综放开采矿压显现规律综合分析

将两种开采条件下的工作面超前支承压力位置及大小、超前支承压力影响范围内外的巷道围岩应力状态进行对比，由对比数据分析可知:

1)两种开采条件下，8107工作面在推进200 m后，其超前支承压力大小及影响范围趋于稳定。超前支承压力影响范围在两种开采条件下不变，均为80 m，其中14～18 m为应力峰值区。超前支承压力峰值大小在两种开采条件下变化明显，8106工作面未开采时，应力峰值为24～26 MPa;8106工作面已开采时，峰值最大为27～29 MPa，较前者提高了11.5% ～12.5%。工作面前方20 m范围内应力集中明显，为重点支护区域。

2)8107工作面前方10 m与80 m处的巷道围岩应力状态在两种开采条件下变化明显。当8106工作面开采后，巷道围岩应力最大值均大于超前支承压力峰值，说明在邻近采空区的影响下，5107巷的围岩应力不同区段应力集中程度不同。工作面前方20 m范围内在邻近8106采空区及8107工作面回采的双重采动下，应力集中明显，巷道围岩易失稳破坏;超前支承压力影响范围外的巷道在只受邻近8106采空区影响时，围岩应力较小且趋于平稳，巷道易保持稳定。

3)基于以上原因，5107巷在工作面推进过程中出现了片帮、底鼓、顶板下沉等现象。建议工作面超前支护距离不小于60 m，其中工作面前方30 m范围内为重点支护区域，应进行补强支护，提高支护强度。

4 结论

1)8107工作面在推进200 m后，其超前支承压力大小及影响范围趋于稳定，超前支承压力影响范围为80 m，峰值位置为工作面前方14～18 m。

2)超前支承压力峰值大小在两种开采条件下变化明显，单一采动影响时，应力峰值为24～26 MPa;双重采动影响时，峰值最大为27～29 MPa，较前者提高了11.5% ～12.5%。

3)在邻近采空区条件影响下工作面前方20 m范围内应力集中明显，为重点支护区域。

［1］任建喜，孟 昌，占有名，等.厚煤层综放工作面矿压显现规律及其支护技术研究［J］.煤炭工程，2013(12):64－67.

［2］李振雷，窦林名，蔡 武，等.深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32(2):333－342.

［3］马忙利.厚煤层综放工作面矿压显现规律模拟与现场实测［J］.煤矿安全，2013，44(8):226－228.

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