综放开采上覆岩层应力分布和运移规律研究

阴 鹏 飞

（山西焦煤西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 古交 030200）

1 工程背景

综采放顶煤开采技术是我国厚煤层开采的主要方法之一，具有巷道掘进工程量小、井下材料节约等一系列优点，但同时会造成采空区遗煤多等问题，其煤炭采出率并不高。深入研究厚煤层综放开采情况下顶板覆岩应力分布和运移动规律，对提高放顶效率、优化放顶煤技术具有重要的现实参考意义。

图1 综放工作面布置示意图

本文以三元煤矿综采放顶煤104# 工作面为实际工程背景，该综放工作面位于5 号煤层，标高+860- 973 m， 平均埋深 400 m。 其煤层倾角为4～11°，平均倾角8°，较为平缓，煤层近水平分布。工作面煤层总厚度约为11 m，走向总长度约为2100 m，倾向总长度190 m。其布置示意图如图1 所示。

104# 综采工作面北侧是另一个综放工作面103#，西侧的102#综放面已经回采完毕，东侧的106#采面尚未开始回采。

2 工作面煤岩应力分布数值模拟

2.1 参数选择及模型建立

为研究回采过程中顶板上覆岩层应力分布和变形运移规律，文中主要从两个方面对目标综放工作面模型进行模拟研究。

1）上覆岩层应力沿综放面倾向的分布情况、塑性区分布情况；

2）上覆岩层垂直应力分布沿煤层走向的分布变化情况。

表1 参数设置表

结合实际工程背景和FlAC3D数值模拟合理需要，将模型长×宽×高分别取值400m×400m×350m，模拟参数设置见表1，模型如图2 所示。

图2 模型图

2.2 数值模拟分析

图3 为综放面推进30 m 时候，工作面中部上覆岩层塑性破坏区分布例图，整体而言综放面的上、中、下不同部位的覆岩塑性破坏区分布基本相似，不存在大的差别，范围均为6 m 左右，但随工作面继续推进，应力逐渐在工作面前方和采空区部位集中。

图3 模型应力塑性区分布图

图4 为模型垂直应力分布云图，由图4 可以看出受采动影响，综放面下部区域应力较为集中，矿压显现较中、上部区域明显，这是由于其下部的702 采空区造成的围岩的侧向应力与放顶开采采动应力相互叠加，造成更大程度的应力集中。

图4 垂直应力分布区域图

随综放工作面的开采推进，应力集中在工作面前方覆岩和采空区覆岩处明显凸显。由图5 可以看出，应力最高峰值约为8MPa，出现在距煤壁距离约9m处。采动应力影响的范围大约为30m 左右。

而随工作面继续推进，应力峰值逐步降低且趋于平缓，应力集中范围缩小，采动影响超前距离有所减小，影响范围区域较为稳定。

图5 工作面顶板岩层超前压力分布

3 现场实测

3.1 测量方法及测点布置

为验证模拟方法的科学适用性，本文对工作面上覆岩层实际位移量进行测量，验证采动应力在上覆围岩的集中分布情况。测量思路是在顶板中布置钻孔，安装逆止爪，随着工作面的推进可以记录顶板和顶煤距煤壁的总位移。所布置钻孔直径60 mm，间距6 m，共6 个，钻孔内部布置设点，从工作面大约120 m 处开始布置，钻孔示意图见图6。

图6 钻孔测点布置图

3.2 实测结果分析

将6 个钻孔的6 个测点分为3 个基站组，每个基站组包含2 个测点，所测得数值取平均范围，会缩小测量结果的误差。图7 为测点分组后测得的覆岩实际运移量。由图7 可以看出，3 组测点所测得工作面上覆岩层受采动影响开始运移的位置均为距工作面距离30 m 左右处位置，位移量最大的位置均出现在采空区后方约8.5 m 处，均与前文数值模拟结果吻合。由图7 还可以看出，上覆岩层最大位移达分别为375mm、425mm、575mm 左右。

图7 位移观测图

4 结 论

1）工作面推进30m 左右时，综放面的上、中、下不同部位的覆岩塑性破坏区分布基本相似，不存在大的差别，破坏范围均为6m 左右。

2）受采动影响，综放面下部区域应力较为集中，矿压显现较中、上部区域明显，这是由于下部702 采空区造成的围岩的侧向应力与放顶开采采动应力相叠加所造成的。

3）通过在顶板钻孔安装测点，测得覆岩实际运移量。结果显示综放面上覆岩层受采动影响开始运移的位置均出现在为距工作面距离30m 左右处位置，位移量最大的位置出现在采空区后方约8.5m 处，上覆岩层最大位移达分别为375 mm、425 mm、575 m，实测结果与Flac3D数值模拟结果一致。