浅埋深综放工作面过风氧化带矿压规律研究

申文波

（西山煤电集团斜沟矿，山西 吕梁 033600）

综放工作面正常推进过程中，当穿过特殊的地质构造时，工作面所处围岩的力学特性会发生很大变化，当遇到断层、风氧化带等构造时，围岩的整体性破坏很严重，顶板、围岩的应力会重新分布，且容易集中，破坏性比较大。过风氧化带的工作面常常会由于破碎的岩石和黏土等松散物质的存在发生漏顶，使工作面刮板输送机因附着大量黏土导致故障增多，极大影响工作面安全、高效生产。因此，对于综放工作面过风氧化带的顶板矿压显现规律的研究十分必要。

1 工程概况

山西省西山煤电斜沟矿1805工作面所在煤层为8#煤下分层，上覆基岩和表土层厚度33.63～154.36m。1805工作面净宽为238.8m，工作面推进长度为638.9m，煤层厚度为3.3～3.5m，平均厚度为3.4m。

1805工作面直接顶为厚度5.6m的泥岩，伪顶为平均厚度0.1m的炭质泥岩，直接顶的局部夹杂黏土层。

工作面正常推进到490m时，刮板输送机经常由于过载而发生故障，无法启动。此时顶板和底板以及煤帮整体比较松软，极易破坏失稳，因此确定综放工作面已到达风氧化带。此时顶板的矿压规律不明确，液压支架选型已无法借用原有经验，施工风险较大，作业人员的安全风险也比较大。为保证工作面生产过程中的安全，确保安全高效的生产，针对综采工作面过风氧化带的顶板围岩矿压规律的研究迫在眉睫，以达到指导施工的目的。

2 工作面顶板力学模型及应力场分布规律

2.1 力学模型的提出

回采工作面前方超前应力分布规律如图1（a）所示。工作面在开采过程中，由于工作面前方超前应力的作用，会将工作面煤壁压碎，形成图1（a）中的破坏区域A。在距离工作面较远的煤体内，存在弹性受力区B。由于工作面不断地靠近风氧化带，风氧化带对工作面的影响越来越大，由于承受应力的煤体越来越窄，弹性受力区B越来越小，来自上方围岩的应力集中现象会更加严重，此时应力集中系数k’增加到k。随着弹性受力区B逐渐减小，在其范围等于零时，此时工作面煤体处于极限平衡状态，在风氧化带与煤体的交界位置应力峰值处于最高水平。此时，在集中应力作用下，工作面围岩结构容易发生失稳，顶板变形量加大，管理困难，容易发生事故。因此，本文将针对此状态下工作面压力最大、顶板最难管理的情况，建立工作面直接顶的力学模型进行分析研究。

图1 工作面顶板力学模型

根据回采工作面通过风氧化带时围岩结构的特征及应力分布规律，建立工作面顶板极限平衡状态力学模型如图1（b）所示。模型上边界为给定变形边界。在风氧化带与煤体的交界位置处于极限平衡状态，通过弹性模量计算公式E=σ/ε得：

式中：

S0-煤体弹性变形量，m；

k-应力集中系数；

H-开采深度，m；

γ-上覆岩层平均容重，kN/m3；

m-工作面采高，m；

E1-煤层的弹性模量，MPa。

顶板模型下边界由工作面液压支架提供支撑力P1，煤体提供支撑力P2；模型的左边界模拟风氧化带对顶板造成的影响，可视为连杆约束；模型右边界模拟采空区，对顶板产生水平支撑力，可视为水平荷载P3。

支架阻力P1计算式如下：

式中：

x-水平方向到风氧化带距离，x∈[l，L]，m；

F-液压支架支撑力，kN；

L-控顶距，m；

l-煤体宽度，m。

煤体支承力P2计算：

煤体在垂直应力作用下的状态包括三个阶段：弹性阶段、塑性软化阶段、塑性流动阶段，在应力极限平衡状态下可视为弹塑性应变软化模型。因此在三轴应力条件下，煤体的抗压强度条件为：

式中：

σ1-最大主应力，MPa；

σ3-最小主应力，MPa；

Kp-三轴系数，即

σl*-煤体残余强度，MPa。

由于模型右侧为采空区，左侧为风氧化带，模型在Y方向受到的应力σy较X方向受到的应力σx大得多，因此可认为σy=σ1=P2，σx=σ3，所以有：

在0≤x≤l的区域，假设P2为线性分布，设方程：

当x=0时，P2=σy=kγH；当x=l时，σx=0代入（4）式得P2=σy=σl*。则P2的表达式为：

式中：

x-水平方向到风氧化带距离，m；

k-应力集中系数；

H-开采深度，m；

γ-上覆岩层平均容重，kN/m3；

σl*-煤体残余强度，MPa；

l-煤体宽度，m。

2.2 风氧化带附近的应力场

风氧化带应力分布规律与构造面的强度相对于围岩强度有关，其附近的应力分布情况可分为:（1）在构造带内没有充填物质的情况下，构造带的最大主应力与构造面趋于平行，如图2中的情况1；（2）在构造带内存在与附近围岩相似的充填物质的情况下，构造带的最大主应力方向不变，如图2中的情况2；（3）在构造带内存在比附近围岩岩性更加坚硬充填物质的情况下，构造带的最大主应力与构造面垂直，如图2中的情况3所示。

图2 构造附近应力状态

由于浅埋深工作面内的风氧化带内部的充填物质比附近围岩的强度低，因此，为更清楚地掌握风氧化带构造的应力分布情况，本文采用数值模拟的方法对风氧化带附近的应力分布规律进行了研究。

本文选用3DEC数值模拟软件对风氧化带构造进行模拟研究。建立模型，模型尺寸为：长(X方向)×宽 (Y方向)× 厚 (Z方向)=100 ×100 ×lm。边界条件：下边界为法向位移约束yvel=0、左、右边界施加最大主应力sxx=σ、上边界施加最小主应力syy=σ、Z方向施加法向位移约束zvel=0。

本文采用3DEC内置的Discontinuity模拟风氧化带构造面，围岩力学参数、构造面参数如表1、表2所示。

表1 围岩力学参数表

表2 断裂构造面力学参数表

为方便对比研究，本文建立三个构造模型：模型一、模型二、模型三。模型一的构造面内摩擦角=0°，内聚力=0MPa。模型二的构造面内摩擦角=80°，内聚力=0.2MPa。模型3为理想状态下模型，无构造面。

对模型的最大、最小主应力进行研究分析，模拟结果如图3、图4所示。

图3 最大主应力分布云图

图4 主应力方位

通过观察图3可以发现：风氧化带构造会对均匀的应力场产生影响，使风氧化带的两侧产生应力差，在模型一中，风氧化带的最大主应力差=5.8MPa；在模型二中，风氧化带的最大主应力差=2.8MPa。

由图4可发现：主应力的方向会由于风氧化带构造的影响而发生偏转，模型一和模型二中，虽然二者的共同点是越接近风氧化带偏转角越大，但是，模型一和模型二的风氧化带最大主应力偏转角分别为 0°～60°和0°～30°。

3 结论

（1）在风氧化带与煤体的交界位置应力峰值处于最高水平。此时，工作面围岩极容易由于应力集中而失稳，顶板的变形量也加大，对于顶板的管理也比较困难，液压支架选型也会发生变化，应引起足够重视。

（2）在对风氧化带构造应力场的分布规律的研究过程中发现：两个模型的风氧化带周围主应力变化的规律区别较大，模型一、模型二中，主应力分别偏转0～60°、0～30°，模型一偏转较大，并且在两个模型中，风氧化带周围的应力场范围也不同，模型一大于模型二。因此可以推断，风氧化带构造内部填充物的物理力学性质对构造周围的应力场变化有着巨大的影响，填充物的物理力学性质越差，主应力偏转角度越大，构造应力越复杂。

风氧化带构造的出现会导致围岩的整体性破坏，围岩力学性质发生很大变化，且容易产生应力集中现象，破坏性比较大，由于围岩整体性差，会导致围岩内部混入其他物质，而这些充填物质会导致风氧化带内部的应力场更加复杂，越容易发生事故，更应该引起重视。