彭志剛

【摘 要】 煤層埋深增大工作面圍巖壓力與采動影響會發(fā)生較大變化。文章針對該問題，以山西某礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對深埋煤層40202綜采工作面開采后圍巖應(yīng)力分布情況與采動影響進(jìn)行了研究。采用理論分析與數(shù)值模擬方法得出煤層埋深增大后同樣會在側(cè)向形成支承應(yīng)力的分布，但側(cè)向應(yīng)力集中現(xiàn)象將會加劇;工作面開采后巷道圍巖塑性破壞范圍加大，破壞影響主要集中在巷道煤柱幫一側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場對巷道各位置錨桿受力情況的監(jiān)測結(jié)果，煤柱幫錨桿受力明顯大于實(shí)體煤幫，表明本文研究結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】 深井工作面;應(yīng)力分布特征;塑性區(qū);錨桿拉力

【中圖分類號】 TD311 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0007-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

我國煤炭資源賦存范圍較廣，賦存條件也多種多樣，由于煤層在埋深、厚度以及力學(xué)特性方面的差異性，煤層開采后對周圍巖體的塑性區(qū)影響和應(yīng)力分布情況也有著較大的差異性。目前淺部煤炭資源日漸枯竭，煤礦開采在不斷地向深部轉(zhuǎn)移，由于煤層埋深的增大，會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力水平在不斷地升高，煤層對周圍巖體的采動影響也有了較大的變化，因此對深井煤層開采后的采動影響及應(yīng)力分布特征研究十分重要。

1 礦井概況

山西某礦40202工作面開采煤層為4號煤層，煤層厚度平均為14m，傾角平均為2°，埋深達(dá)到平均為680m，屬于典型的深井綜放工作面。工作面北部為40203工作面，南部為40201工作面，其中40201工作面已開采完畢，40203工作面運(yùn)輸巷正在掘進(jìn)，工作面布置如圖1所示。40203運(yùn)輸巷高度為4m，寬度為6m，沿底板掘進(jìn)。

2工作面?zhèn)认驀鷰r壓力分析

工作面煤層開采過后，周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分布情況出現(xiàn)改變，在工作面周圍形成支承壓力。由于煤層埋深以及厚度等條件的差異，周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分布狀況也有著較大的差別。深井工作面煤層埋深較大，地應(yīng)力水平較高，相比較于淺埋煤層，圍巖壓力會有較大提升。在綜采工作面推進(jìn)過程中，在水平方向會形成煤壁支撐區(qū)a、離層區(qū)b、重新壓實(shí)區(qū)c以及原巖應(yīng)力區(qū)d，分區(qū)如圖2所示。

煤壁支撐區(qū)承載壓力較大，煤壁內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)升高狀態(tài)，并且隨著與煤壁的距離增大煤體承受壓力也逐漸增大，直至恢復(fù)原巖應(yīng)力，一般可將煤壁支撐區(qū)作為應(yīng)力升高區(qū)。離層區(qū)主要由于頂板巖層厚度、物理力學(xué)性質(zhì)的差異而產(chǎn)生，巖層斷裂步距有著一定的差異性，在不同步距斷裂現(xiàn)象下，巖層產(chǎn)生離層。離層區(qū)巖層由于頂板的斷裂，內(nèi)部應(yīng)力以及積蓄的能量釋放，因此呈現(xiàn)應(yīng)力下降的特征。重新壓實(shí)區(qū)內(nèi)主要為頂板巖層冒落的矸石，在頂板載荷下，冒落矸石內(nèi)的裂隙逐漸閉合，形成壓力較為穩(wěn)定的區(qū)域。

工作面?zhèn)认虻膲毫Ψ植寂c推進(jìn)方向大致呈現(xiàn)相同的特征。圖3為工作面?zhèn)认驂毫Ψ植继卣?，從圖中可以看出，工作面回采過后，頂板巖層的載荷大部分由巷道的保護(hù)煤柱支撐，因此煤柱內(nèi)多有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，峰值為KγH，遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力開始下降。受高應(yīng)力區(qū)域的影響，巷道圍巖穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)大量變形。由于深埋煤層地應(yīng)力水平有所增大，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中情況也有所加劇，因此對相鄰工作面開采的具體影響情況進(jìn)行分析，對后續(xù)的巷道圍巖控制方案制定具有著重要的作用。

3數(shù)值模擬分析

為客觀地看到工作面開采對巷道圍巖的影響情況，將采用數(shù)值軟件對整個(gè)回采過程中巷道圍巖的變化情況進(jìn)行分析。

數(shù)值模型按照40202工作面與40203巷道地質(zhì)條件進(jìn)行建立，40202工作面的模擬長度為150m，40203運(yùn)輸巷與40202工作面之間的煤柱寬度設(shè)計(jì)為20m，模擬推進(jìn)距離為100m，巷道大小寬×高為6m×4m，煤層頂、底板各取30m，在模型的四周取50m來去除模型開挖帶來的邊界效應(yīng)，因此建立模型的大小長×寬×高為200m×276m×74m。

由于4號煤層埋深較大，整個(gè)模型的應(yīng)力場環(huán)境與普通淺埋煤層模型有著一定的差異，具體表現(xiàn)為水平應(yīng)力要大于垂直應(yīng)力，在此兩者的比值設(shè)計(jì)為1.3∶1。模型在底部設(shè)置為固支邊界，頂部為載荷邊界，施加的載荷大小主要由煤層的埋深決定，這里4號煤層的埋深平均為680m，由于模型中模擬的頂板厚度為30m，其余覆巖均以載荷方式施加于模型頂面，因此施加的載荷大小為16.6MPa，模型的側(cè)面限制水平方向的位移。

圖4為40202工作面開采后側(cè)向0～30m的支承壓力分布情況，從圖中可以看出，側(cè)向支承壓力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，在側(cè)向0～4m范圍內(nèi)，壓力在逐漸增大，并且速度較快，在4m處支承壓力達(dá)到最大，為31.5MPa;在側(cè)向4～16m范圍內(nèi)，壓力不斷地降低，降低的速度先快后慢;在16～30m范圍內(nèi)，支承壓力較為平緩，由于側(cè)向20～26m范圍為40203巷道，因此可知巷道已經(jīng)處于應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，這與上述理論分析結(jié)果基本一致。由于工作面?zhèn)认虻膽?yīng)力峰值為31.8MPa，原巖應(yīng)力大小約為17.1MPa，因此可得煤柱內(nèi)的最大應(yīng)力集中系數(shù)即兩者比值為1.86，一般淺埋煤層應(yīng)力集中系數(shù)多在1.2～1.5范圍內(nèi)，由此看來，煤層埋深增大后，工作面開采后圍巖的應(yīng)力水平將有明顯增大。

圖5（a）為40203巷道掘進(jìn)完成后圍巖塑性區(qū)的分布情況，從圖中可以看出，巷道初始掘進(jìn)完成后，在周圍會形成塑性分布，在頂板和底板的塑性分布范圍要大于巷道兩幫，頂板和底板最大破壞高度達(dá)到2m，主要在巷道中部位置，兩幫的最大破壞寬度為1m，呈現(xiàn)對稱分布，此時(shí)巷道圍巖的破壞整體較小。圖5（b）為相鄰40202工作面在開采過程中對40203巷道塑性區(qū)影響情況，對比圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，受到相鄰工作面的回采影響，巷道圍巖的塑性區(qū)有了明顯的增大，主要表現(xiàn)在巷道的兩幫。頂板的最大破壞高度沒有變化，仍為2m，僅在面積上有所增加，底板的破壞高度變?yōu)?m，主要在巷道兩底角變大。巷道兩幫的塑性區(qū)有了明顯的增大，兩幫塑性區(qū)呈現(xiàn)不對稱性，靠近采空區(qū)一側(cè)圍巖塑性區(qū)大于實(shí)體煤幫一側(cè)，煤柱幫的最大破壞寬度為4m，實(shí)體煤幫的最大破壞寬度為2m，這是由于巷道煤柱幫的結(jié)構(gòu)在相鄰工作面的采動影響下發(fā)生了再次的運(yùn)動，煤柱內(nèi)部分區(qū)域的載荷大于其自身承載能力從而出現(xiàn)屈服破壞。

綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果，在工作面開采煤層埋深增大后，會引起周圍巖體應(yīng)力水平的增大，并且相鄰40202工作面的回采會引起40203巷道圍巖塑性區(qū)明顯增大，導(dǎo)致巷道圍巖變形加劇。

4結(jié)論

本文針對山西某礦地質(zhì)條件，對相鄰工作面回采圍巖的應(yīng)力分布情況與回采影響情況進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下：

（1）深埋煤層工作面開采后同樣會在側(cè)向形成支承應(yīng)力，支承應(yīng)力的分布大致呈現(xiàn)先升高后降低再逐漸穩(wěn)定的分布，但由于煤層埋深的增大，側(cè)向應(yīng)力集中現(xiàn)象有所加劇。

（2）通過數(shù)值模擬方法對工作面?zhèn)认驊?yīng)力分布情況與工作面的回采影響進(jìn)行了分析，相鄰40202工作面在回采后，40203工作面巷道處于側(cè)向應(yīng)力分布的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域，側(cè)向應(yīng)力集中情況要比淺埋煤層條件下嚴(yán)重，工作面開采后巷道圍巖塑性破壞范圍加大，破壞影響主要集中在巷道煤柱幫一側(cè)。

（3）對現(xiàn)場40203巷道各位置錨桿受力情況進(jìn)行了監(jiān)測，錨桿受力呈現(xiàn)平穩(wěn)、加速上升與緩慢上升三個(gè)階段，煤柱幫錨桿受力明顯大于實(shí)體煤幫，該結(jié)果與理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本文分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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