王坡矿3210孤岛工作面矿压分布规律探讨

郭永军

（晋城市泽州县应急局，山西 晋城 048000）

1 工程概况

山西天地王坡煤业有限公司二采区3210综放工作面因东、西两侧的3208和3212工作面均已采空，成为两侧采空的孤岛工作面，见图1。3210工作面设计采用后退式回采工艺，完全垮落法管理顶板。该工作面开采3#煤层，平均倾角6°、平均厚度5.76 m的，直接顶为黑色泥岩、老顶为灰色石灰岩，直接底为粉砂质泥岩、老底为砂岩。

3210孤岛工作面两侧采空的特殊情况可能导致本工作面回采过程中有较剧烈的矿压显现，因此需要研究3210孤岛采场覆岩的运动特征、矿压显现及应力分布特点，并采取相应措施，确保3210工作面安全高效生产。

图1 3210孤岛工作面位置

2 孤岛面回采矿压显现理论分析

2.1 采场S型覆岩结构矿压规律分析

随着孤岛工作面的回采，其覆岩中老顶上覆岩层及两侧采空区同位覆岩会由于老顶断裂而产生联动，形成孤岛工作面典型的S型覆岩结构［1］。孤岛工作面回采至一定长度后，老顶在工作面煤壁前方发生断裂形成“类拱”结构，见图2（a），其运动、回转形成的内应力场导致工作面的初次来压，会产生工作面支架所受压力增大、工作面煤壁产生一定深度的塑性变形的现象；工作面进一步回采，形成的“类拱”结构会在回采扰动下发生破坏，随着应力的调整，该结构前脚将转移至工作面煤壁产生塑性变形的前方［2］；覆岩结构会由于工作面的持续推进而产生周期性变化，工作面后方会进入非充分采动和充分采动状态，其空间结构见图2（b）、图2（c），最终会沿回采方向形成一系列沿工作面中垂线对称的S型触矸线。

图2 S型覆岩结构演化

图3为回采工作面前、后方支承压力分布曲线图。在工作面后方，由于回采造成工作面煤壁上方岩层状态周期性的变化，紧邻液压支架后方会随回采形成动态的支承压力；工作面两端头静态的实体煤覆岩经历回转、破断、垮落三个阶段后会逐渐稳定，形成稳定的煤体内部静态的内应力场与外应力场；采空区在经历一段应力集中期后，会形成相对稳定的静态支承压力，从而进入稳定状态。

在工作面前方，工作面煤壁后方较短距离内的围岩受采动影响，会形成与工作面走向方向上相同的动态支承压力曲线；煤壁前方采动超前影响范围外的覆岩只受相邻区段影响，而相邻区段已基本稳定，故形成的支承压力较稳定。

图3 工作面前后方支承压力分布曲线

2.3 来压步距理论计算

3210工作面所采煤层平均倾角仅6°，因此在工作面回采过后，可以将工作面后方悬顶视为矩形弹性薄板，将该板与y轴平行的两边简支约束、另两边固支约束［3］，所建薄板模型见图4，结合3210孤岛工作面的实际情况，可以推导出该面在回采过程中的周期来压步距及初次来压步距。图4中b为3210孤岛工作面走向长度，为1800 m；a为工作面长度，取160 m。

图4 采空区顶板模型

经过推算［4］，得到该孤岛工作面回采过程中初次来压步距lc及周期来压步距lz的计算见式（1）、式（2）：

式中：q为覆岩容重，取16 MPa；h为顶板垮落带高度，取8.5 m；μ为直接顶岩层泊松比，取0.3；σ1为直接顶岩层抗压强度，取3 MPa；m为煤层厚度，取5.76 m。通过上式计算即可得3210孤岛工作面回采过程中初次来压步距lc=32.4 m。

式中：H为该孤岛工作面覆岩关键层厚度，取9 m；Rt为直接顶岩层抗拉强度，取2.5 MPa。经过计算得到3210孤岛工作面回采过程中周期来压步距lz=20 m。

3 孤岛面回采矿压显现数值模拟分析

运用3DEC数值模拟软件［5］，结合3210孤岛工作面具体参数，建立宽200 m、长300 m、高80 m的3210孤岛工作面回采模型，来研究回采过程中的矿压显现规律，在所建模型中先对3210孤岛工作面两侧的3208和3212工作面进行开挖，并运算至平衡状态，然后将3210孤岛工作面从模型边界处开始进行回采作业。

3.1 顶板来压情况分

3210孤岛工作面回采45 m时顶板下沉量模拟结果曲线见图5。

图5 回采过程中顶板下沉量曲线

工作面回采过程中的初次来压情况可以通过煤层顶板的下沉情况反映出来。观察图5可发现：工作面向前推进至30 m处时，顶板初次垮落造成的初次来压使得工作面顶板下沉量骤然增加，初步说明3210孤岛工作面回采过程中的初次垮落步距为30 m；当工作面进一步推进至65 m时，顶板下沉量的值增大到极值，是基本顶初次垮落后进一步垮落造成，因此可以确定该孤岛面回采时基本顶初次垮落步距为35 m。

3.2 工作面超前支承压力分布规律分析

3210孤岛工作面回采过程中支承压力分布规律曲线见图6。

图6 支承压力分布曲线

观察图6可发现：工作面推进至35 m处时，所受支承压力首次下降，这是顶板初次垮落、顶板卸压所致，同样说明初次垮落步距为35 m，之后平均每20 m出现一次卸压情况，故周期来压步距为20 m。工作面推进至30 m时，工作面顶板承受24 MPa的峰值垂直应力，工作面煤壁前方受此应力影响的范围约27 m；工作面推进至距切眼50 m时，工作面顶板的峰值垂直应力为25 MPa，影响范围为45 m；工作面推进至70 m时，工作面顶板承受最大23 MPa的垂直应力，煤壁前方约40 m范围内应力均高于原岩应力；工作面回采至距开切眼100 m处时，工作面煤壁前方受顶板22.5 MPa峰值垂直应力影响的范围约53 m。上述数据表明该回采过程中超前支承压力的平均影响范围为51 m。

综上：通过对3DEC模拟软件进行3210孤岛工作面建模对其矿压显现规律进行分析发现该工作面回采过程中受到的平均峰值垂直应力为24 MPa，受采动影响的超前支承压力范围约50 m，初次来压步距为35 m，周期来压步距为20 m。

4 结语

通过对3210孤岛工作面采场S型覆岩结构矿压规律进行分析并通过理论计算得到该面周期来压步距为20 m，初次来压步距为32.4 m。运用3DEC软件对3210工作面回采过程中顶板来压情况分析，发现数值模拟结果与理论计算得到的结果基本相同。最终确定该工作面回采过程中受到的平均峰值垂直应力为24 MPa，受采动影响的超前支承压力范围约50 m，初次来压步距为35 m，周期来压步距为20 m。