深部薄煤层开采围岩应力分布规律研究

刘 恒

(晋能控股煤业集团 四台矿，山西 大同 037000)

国内学术界提出煤矿深部的概念是700～1 000 m[1]，薄煤层是指煤厚小于1.3 m的煤层[2].我国各大煤炭主产区均赋存有薄煤层，其资源储量约占煤炭资源总储量的20.4%[3].埋深1 000 m以下的煤炭资源量占已探明的煤炭资源的53%[4-5].深部岩体之所以发生变形、破坏、冲击、失稳，其本质原因是地下开采或开挖活动破坏了原岩的原始应力平衡[6]，造成区域应力集中。目前深部资源开发中常伴随着重大灾害事故，难以有效预测与防治，说明深部岩体可能存在着完全异于浅部的岩石力学行为[7]，需要从更新的角度去探索开采后的应力集中情况。本文通过数值模拟、理论分析的手段，研究工作面上下顺槽掘进和工作面推进过程中的应力集中区域分布情况。

1 工程背景

新立煤矿77#煤层右四片工作面可采走向长514 m，倾斜长162 m，平均埋深为975 m.该工作面煤层厚度在0.59～1.19 m，平均厚度0.81 m；属简单结构煤层，全区可采，向深部变厚，属于较稳定煤层。煤层倾角21°～23°，平均倾角22°，从外向里逐渐变小。变化梯度均匀，无明显厚度突变。

2 建立模型

充分考虑右四片工作面采场及上片77#煤层右三片已回采完毕、巷道的应力分布和变化情况，所建立的模型尺寸为：200.33 m×564 m×130 m，选取模型右四片底板右下角为零点，邻面的采空区宽度30 m，上下顺槽为3 m，考虑到应力的影响范围，上下顺槽向外扩展27 m为左右边界。整个三维模型共划分8 000个单元，10 099个节点，模型见图1.

图1 右四片回采工作面FLAC3D模型图

模型的前后边界为固定位移约束，模型的左右和上下边界条件见图2.

图2 模型的边界条件图

3 模拟结果分析

为了研究工作面回采前后采场周围应力的变化规律，结合77#煤层现场工作面开采顺序，模拟掘进右四片工作面上下顺槽、工作面分步开采过程中应力集中区域分布情况。

3.1 研究平面的选取

应力集中区域分为竖直应力集中区域和水平应力集中区域，在不同的位置会出现不同类型和程度的应力集中。为了便于研究不同应力的集中区域分布规律，通过对右四片工作面上下顺槽掘进后模型应力分布情况(图3、图4)进行分析得出，煤层竖直应力集中区域在顺槽顶板附近，煤层水平应力集中区域为上下顺槽的两帮处。因此，在进行集中区域研究时，竖直应力集中以沿煤层倾向巷道顶板平面为主要研究对象，水平应力集中以沿煤层倾向的煤层中部平面为主要研究对象。

图3 右四片上下顺槽掘进后模型竖向应力云图

图4 右四片上下顺槽掘进后模型水平应力云图

3.2 上下顺槽掘进后应力集中区域分布

对右四片工作面上下顺槽进行数值模拟，得出煤层应力云图和应力分布曲线。由于上下顺槽的开挖，对采掘周围岩体进行了扰动，应力重新分布，形成了应力集中区域。

3.2.1 竖向应力集中区域分布

竖直应力云图见图5，监测点上垂直应力见图6.由图5,图6(以模型工作面长度为横坐标)可知，煤层中部竖直应力场及下顺槽应力场较大，下顺槽附近应力最大为19.1 MPa.这是由于右三片工作面煤层开采后，右四片工作面上顺槽与采空区相邻，围岩压力已经释放，顺槽附近压力较低且均匀。下顺槽在煤层中掘进，导致采区边界围岩应力重新分布，矿山压力向实体煤侧转移，内部支承压力明显升高。离采空区距离越远，应力受采空区影响越小，采场应力逐渐增大。因此，右四片采场下顺槽发生灾害事故的可能性较大。

图5 竖直应力云图

图6 监测点上垂直应力图

3.2.2 水平应力集中区域分布

水平应力云图见图7，监测点上水平应力见图8.由图7，图8(以模型工作面长度为横坐标)可知，煤层中部水平应力分布较平均，受顶板破断后岩块铰接结构影响，上下部顺槽全长段水平应力均较小；由于右三片采空区的影响，水平应力向煤层内部延伸，增加了中部位置水平应力的集中程度。巷道开挖后，顶板、底板一定的范围内水平应力急剧增加，不利于围岩的稳定性。煤层中部水平集中应力很大，易发生冲击地压，造成顶板的冒落、底板隆起。

图7 右四片水平应力云图

图8 右四片监测点上水平应力图

3.3 右四片工作面推进过程中应力集中区域分布

由于工作面的推进，对周围岩体进行了扰动，应力重新分布，形成了应力集中区域。

3.3.1 竖向应力集中区域分布

工作面推进竖直应力云图见图9，监测点上垂直应力见图10.由图9，图10可知，随着工作面的推进，煤层顶板的竖向应力峰值呈现先增大后减小的趋势。受采空区的影响，上巷平均应力小于下巷的平均应力，且小于原岩应力，上下巷位置附近较稳定，有利于巷道的稳定性和冲击地压的防治。

图9 右四片工作面推进竖直应力云图

3.3.2 水平应力集中区域分布

右四片工作面推进水平应力云图见图11，监测点上水平应力见图12.由图11，图12可知，水平应力主要集中在工作面中部，工作面推进至150 m，水平最大应力达到6 MPa，工作面推进至300 m，水平最大应力达到6.1 MPa，工作面推进至450 m，水平最大应力达到6 MPa，工作面推进至514 m，水平最大应力达到5.9 MPa.邻面的采空区侧上巷压力呈现逐渐递减的趋势，上巷底板压力较小。下巷压力范围及数值保持稳定。综上所述，重点对工作面中部进行卸压，保证工作面开采过程中的安全稳定。上下巷两帮压力较小且稳定，开采过程中安全稳定。

图12 右四片监测点上水平应力图

4 结 论

通过对右四片工作面上下顺槽、工作面分步开采过程的模拟，分析了深部薄煤层在两种情况下周围岩体应力集中区域的分布情况，得出结论如下：

1)下顺槽的开挖导致远离采空区的下顺槽竖直应力场较大，据采空区较远的顺槽发生灾害事故的可能性较大。

2)上下顺槽的开挖造成煤层中部水平应力很大，集中系数很高，易发生顶板的冒落、底板隆起以及相关动力灾害。

3)工作面的推进到煤层中部时竖直应力峰值达到最大，此时应加强灾害的防治。

4)工作面的推进过程中水平应力主要集中在工作面中部，重点对工作面中部进行卸压，保证工作面开采过程中的安全稳定。