“三软”煤层采场覆岩运动及应力分布规律

“三软”煤层采场覆岩运动及应力分布规律

李春杰1，刘银先2，高红彬1，许跃强1，乔卿付2,侯志强2

(1.国投新登郑州煤业有限公司，河南 登封 452477；2.河南理工大学 能源学院，河南 焦作 454000)

摘要：新登矿区属于典型的豫西“三软”煤层，31061工作面采用综采放顶煤开采工艺，采高大，围岩扰动范围大，矿山压力显现与普通综采区别明显。为了掌握在上述条件下沿空留巷围岩应力及变形规律，通过数值模拟和理论分析相结合的方法，分析了避开动压沿空留巷方案的可行性，对31061工作面采场的覆岩运动及应力分布进行了数值模拟。结果表明：工作面后方的30 m内应力处于原岩应力范围内，后方30 m到70 m之间的巷道应力迅速增加，工作面后方70 m左右是覆岩垮落和应力分布稳定的区域。研究的结果对类似“三软”煤层采用避开动压沿空留巷的方案提供了宝贵的参考价值。

关键词：三软煤层；数值模拟；动压；沿空留巷

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0209

文章编号：1672-9315(2015)02-0187-05

收稿日期：*2014-12-20责任编辑：刘洁

通讯作者：李春杰(1965-)，男，河南登封人，工程师，E-mail：13838343188@163.com

中图分类号：TD 323文献标志码： A

Overlying strata movement and stress distribution law in the“three-soft”coal seam

LI Chun-jie1，LIU Yin-xian2，GAO Hong-bin1，XU Yue-qiang1，QIAO Qing-fu2，HOU Zhi-qiang2

(1.SDICXindengZhengzhouCoalCo.,Ltd.，Zhengzhou452477，China；

2.SchoolofEnergyScienceandTechnology，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000，China)

Abstract：To study the surrounding rock deformation and the stress distribution of the gob-side entry，the first important thing is to master the overlying strata movement and stress distribution laws，which is the precondition of keeping the layout stable.To study the fesibility of preserving layout by avoiding dynamic pressure with large mining height of fully-mechanized top coal caving,the Layout 31061 at Xindeng Coal Mine was selected to the in-sit object，numerical simulation and theorical analysis were applied to study the whole process of the three-soft coal seam overlying strata’s movement and stress.The result showed that original stress zone is 30 m behind the layout，while in the zone 30 m to 70 m behind the layout，the roadway near the goaf is seriously deformed because of the increasing stress.The most stable zone of the strata caving and stress distribution is 70 m behind the layout.

Keywords：three-softcoalseam；numericalsimulation；dynamicpressure；gob-sideentryretaining

0引言

在采用留煤柱开采时，工作面往往采用跳采的方式，这样就不可避免的形成了应力集中的孤岛工作面，大大提高了冲击地压等井下动力灾害发生的可能性，给安全生产带来了不小的困扰。沿空留巷实现了连续卸压开采，避免了由于跳采形成的孤岛工作面，大大减小了动力灾害发生的可能。另外，无煤柱护巷形式在很多方面还具有明显的优越性，例如能改善工作面的通风条件，防止瓦斯积聚，尤其是在大采高条件下，能大大提高煤炭的回采率。

新登矿已有六十多年的开采历史，剩余可采煤炭资源越来越少，采用沿空留巷技术有利于回收更多资料。31061综放工作面所采煤层为“三软”煤层，由于留巷前后受2次采动影响，巷道变形严重、维护困难。加之采高大，煤层及围岩软弱的条件，使得留巷的难度加大，巷旁支护方式选择困难，如使用高强度固体砌筑，较高强度的巷旁支护必定要承担较多的覆岩压力，支护体对软弱底板的挤压也会使巷道出现强烈的底膨。如使用膏体充填巷旁支护，工艺复杂，成本高，动压作用下的巷道变形问题仍会存在。从经济及生产角度方面，“三软”煤层地质条件复杂，产量不大，工作面推进速度慢。因此，选择沿空留巷方案即要能够采用沿空留巷的优点如提高资源回收率、减少巷道掘进率、缓解采掘接替紧张，又要尽量降低成本。因此要采用简单实用的工艺方法，同时又满足安全生产的条件。通过结合现场的理论分析以及基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)对31061工作面采场覆岩应力规律进行的研究，为研究动压沿空留巷的方案提供理论基础。

1工程背景

新登煤矿进行综放沿空留巷的工程条件具有以下特点：工作面综放开采，采高大(采2m，放4m)，推进速度较慢。煤层松软，承载能力低，不宜使用锚杆支护，煤层埋藏不深，在300～350m之间，直接顶强度弱，厚度大，约15m.底板强度弱。煤层无自燃发火倾向，瓦斯含量不高，相对瓦斯涌出量为4.96m3/t.“三软”煤层，综放开采，留巷大变形难以避免。31061综放面，采高大，煤层及围岩软弱的条件，使得留巷的难度加大，巷旁支护方式选择困难，如使用高强度固体砌筑，较高强度的巷旁支护必定要承担较多的覆岩压力，支护体对软弱底板的挤压也会使巷道出现强烈的底膨。如使用膏体充填巷旁支护，工艺复杂，成本高，动压作用下的巷道变形问题仍会存在。

31061采用工字钢对棚支护，在超前支护段替换为单体支柱+π型钢梁，在工作面后方，由于超前支承压力影响，巷道已有明显变形，对巷道进行第1次维修并将超前支护替换为临时支护，在工作面推进一段距离以后，受动压影响巷道又出现明显变形，在距工作距离L处对留巷进行第2次维护，将临时支护替换成正常支护。

2留巷分析

与现行沿空留巷方法的最大区别在于巷旁支护体砌筑位置不是紧邻工作面后方，而是距工作面一定距离(避压距离)，此距离使巷旁支护体能够避开开采覆岩垮落时的影响范围。避压距离内巷道一帮无支护体，因此需要在工作面后方对巷道进行临时支护，支护方式一般采用工字钢棚支护，用单体支柱加强支护。在覆岩垮落作用下，避压距离范围内的巷道会出现剧烈变形，因此，要选择合适位置(覆岩垮落稳定位置)对巷道进行二次维修，并进行巷旁支护。所以，避开动压沿空留巷方法巷道和巷旁支护位置总是距离工作一定距离。

为了检验避开动压的沿空留巷方案是否可行，以该工作面为原型，对采场的覆岩运动、位移及应力情况进行了数值模拟。

3采场覆岩的数值模拟研究

3.1数值模型建立

由于在分析采场周围的覆岩运动及应力分布变化，所以模型范围应足够大，模型X，Y，Z方向尺寸分别为200，400，140m.模型垂直方向岩层分为15层，31061工作面的具体岩层参数见表1.模型划分61 419个节点，52 800个块体单元。为节省计算时间，以工作面倾向方向中间截面为对称面，取左侧岩层进行研究。煤层埋深350m，模型未包含的上覆岩层用上边界垂直应力代替，模型四周边界位移横向位移约束，底边边界Z向位移约束，顶边界实加5MPa垂直向下的应力。煤层本构模型采用应变软化模型，其余岩体采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则，数值模拟计算模型如图1所示。

为了监测围岩变形规律，在工作面中心位置布置垂直沿线，在各关键岩层上布置测点，监测位移及应力变化；在工作面侧向煤壁内布置测点，监测工作面推进过程中应力变化。

表1　工作面岩层柱状图及参数

图1　数值模型 Fig.1　Numerical model

3.2数值模拟结果分析

图2为上覆岩层随工作面向前推进的垮落过程，CDEM能够很好地描述岩层从变形、离层、垮落、堆积和重新压实的全部过程，在采空区四周覆岩形成砌体梁结构，在基本顶与下位岩层形成较大

了离层。采空区向上，可以清晰的分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。

图3是工作面中部沿线(工作面倾向中部，推进100m时的位置)各岩层垂直位移图。在工作面接近测线之前，各岩层在超前支承压力作用下有微小下沉位移。在工作面推进沿线之后，上覆岩层开始离层，并且分组垮落。直接顶及临近岩层最先离层垮落，下沉量最大，与开采高度相当；基本顶及其以上2层硬岩同步滞后于直接顶成组同步垮落，最终下沉量远小于直接顶下沉量，表明基本顶与下位直接顶间会有大的离层。基本顶再向上13和15号岩层滞后于基本顶成组同步垮落，并与基本顶形成离层。

图2　工作面推进中的覆岩运动过程 Fig.2　Overlying strata movement in the process of face advancing (a)40 m　(b)80 m　(c)100 m　(d)120 m　(e)160 m　(f)200 m

图4和5为工作面开挖200m以后，采空区周围煤体上的垂直应力分布图，图中x,y坐标分别代表模型中煤层层面上的x,y方向。煤层开挖后，在采空区四周煤体内部产生较高的应力集中，由于31061采面煤层强度很弱，高集中应力深入到煤体内部，在煤壁边缘形成低应力区。煤层应力最高的区域在采空区后部侧向煤体上，最大达到30MPa以上；在工作面前方，应力集中区域在煤体内部10m左右，最大应力达到20MPa以上。

图3　工作面推进200 m后覆岩运动、位移及垂直应力 Fig.3　Overlying strata movement，displacement and vertical stress after face advanceing 200 m (a)全部岩层　(b)煤层上方50 m范围内岩层　(c)煤层上方30 m范围内岩层

图4　工作面推进200 m后煤层应力分布 Fig.4　Seam stress distribution of face advancing 200 m

图5　工作面推进200 m后煤层应力等值线 Fig.5　Coal stress contour of face advancing 200 m

图6是固定测点(工作面推进100m侧向煤壁上的测点)的垂直应力弯腰曲线。，在工作面后方前15m，上覆岩层尤其是基本顶岩层还未垮落，煤壁应力较低，甚至低于原岩应力，继续向后的15m范围内，应力缓慢增加，但仍在原岩应力水平；从30m后开始应力快速增加，在此后的40m范围内(即工作面后方30～70m)距离内，煤壁都处于较高应力范围约20MPa以上，此范围也是留巷承受高应力而发生大变形的主要区域。继续向后，在高应力作用下煤壁附近煤体出现变形，高应力向煤体深部转移，在煤壁附近出现应力降低区。

图6　工作面走向100 m位置煤壁测点应力变化曲线 Fig.6　Variation curves of coal wall measuring stress point in the strike of face with distance 100 m

图7是工作面中部沿线(工作面倾向中部，推进100m时的位置)各岩层垂直位移图。在工作面接近测线之前，各岩层在超前支承压力作用下有微小下沉位移。在工作面推进沿线之后，上覆岩层开始离层，并且分组垮落。直接顶及临近岩层最先离层垮落，下沉量最大，与开采高度相当；基本顶及其以上2层硬岩同步滞后于直接顶成组同步垮落，最终下沉量远小于直接顶下沉量，表明基本顶与下位直接顶间会有大的离层。基本顶再向上13和15号岩层滞后于基本顶成组同步垮落，并与基本顶形成离层。

图7　工作面中部走向100 m位置测点位移曲线 Fig.7　Displacement curves of measuring point in the middle of the strike of face with distance 100 m

4结论

1)随着工作面向前推进，上覆岩层出现变形、离层、垮落、堆积和重新压实，在采空区四周覆岩形成砌体梁结构，在基本顶与下位岩层形成较大了离层。从采空区四周煤体从煤壁到内部分别出现应力降低区、应力升高区和原始应力区;

2)由于工作面走向推进距离长，走向方向达到充分采动，因此工作面前方的应力降低区范围比侧向大，超前支承压力影响范围达到前方约50m左右。侧向应力值峰值距煤壁10m左右，应力集中影响范围在30～40m左右；

3)在采空区后方70m左右是对留巷进行二次维修较好的位置，同时该处上覆岩层尤其是基本顶及其下位岩层已充分垮落，煤壁上的高应力已转移到煤体内部，此时巷道本身及巷旁支护体在下一采面超前支承压力来临之前，都会处于低应力作用下，巷道容易保持稳定、继续使用维护工作量很小。

参考文献References

[1]王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨[J].煤炭科学技术，2005，33(1)：14-17.

WANGjia-chen.FullymechanizedlongwalltopcoalcavingtechnologyinChinaanddiscussiononissuesoffurtherdevelopment[J].CoalScienceandTechnogy，2005，33(1)：14-17.

[2]黄艳利，张吉雄，巨峰.巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律[J].西安科技大学学报，2009，29(5)：515-520.

HUANGYan-li，ZHANGJi-xiong，JUFeng.Technologyofroadsidepackingingob-sideentryretainingandlawofrokcpressure[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2009，29(5)：515-520.

[3]王蓬，马志鹏.复杂条件下厚煤层回采巷道围岩动态变形规律研究[J].西安科技大学学报，2010，30(5)：613-618.

WANGPeng，MAZhi-peng.Dynamicdeformationlawofsurroundingrockofminingroadwayincomplexthickcoalseam[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2010，30(5)：613-618.

[4]陈勇，柏建彪，王襄禹，等.沿空留巷巷内支护技术研究与应用[J].煤炭学报，2012，37(6)：903-910.

CHENYong，BAIJian-biao，WANGXiang-yu，etal.Supporttechnologyresearchandapplicationinsideroadwayofgob-sideentryretaining[J].JournalofChinaCoalSociety，2012，37(6)：903-910.

[5]赵春光，李男男，王创业.不同煤岩倾角下采场倾向矿压规律数值模拟[J].煤矿安全，2014，45(10):198-200.

ZHAOChun-guang，LINan-nan，WANGChuang-ye.Numericalsimulationofstopetendencyminepressurelawsunderdifferentinclinationofcoalandrock[J].SafetyinCoalMines，2014，45(10):198-200.

[6]潘卫东，孔德中，李德林，等.近距离煤层综放回采巷道矿压规律[J].煤矿安全，2014，45(7)：12-15.

PANWei-dong，KONGDe-zhong;LIDe-lin，etal.Statekeylaboratoryofcoalresourcesandsafemining[J].SafetyinCoalMines，2014，45(7)：12-15.

[7]李晋平.综放沿空留巷技术及其在潞安矿区的应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2005.

LIJin-ping.Studyonthetechnologyofgob-sideentryretainingwithlongwalltopcoalcavingsystemanditsapplicationinLu’anminingdistrict[D].Beijing:CoalScienceResearchInstitute，2005.

[8]茅献彪，缪协兴，钱鸣高.采动覆岩中关键层的破断规律研究[J].中国矿业大学学报，1998，27(1)：39-42.

MAOXian-biao,MIAOXie-xing,QIANMing-gao.Studyonbrokenlaw’sofkeystrataminingoverlyingstrata[J].JournalofChinaUniversityofMining&Technology，1998，27(1)：39-42.