羊場灣煤礦160203工作面強礦壓顯現規律分析

文 / 王立峰 魏啟明

羊場灣煤礦以160203工作面為研究對象，采用FLAC3D軟件對該工作面強礦壓顯現規律進行研究。研究表明，該工作面受到臨近采空區的側向支承壓力的疊加導致工作面沿走向的超前支承壓力回采至900m時才出現穩定，穩定值為50MPa左右；工作面回風巷開采位置前30m處，應力開始處于單峰上升形態，在進入160201工作面采空區后開始出現雙峰狀態，最終在停采線區域達到最大值68MPa。該研究對礦井安全生產具有重要的保障作用，并對類似工作提供了有益的借鑒。

一、工作面概況

羊場灣煤礦160203工作面位于羊場灣煤礦一號井井田中部，走向長1292m，傾斜長為295m。采用走向長壁綜合機械化開采，采二號煤層，采厚5.6m，全部垮落法管理頂板，為綜采工作面。

工作面二號煤層厚度在7.91～8.26m之間，平均厚度為8m，煤層埋深在516～624m之間，平均埋深570m，平均傾角為10°，屬于深埋緩傾斜煤層。煤層頂板由粉砂巖、砂質泥巖以及細砂巖組成。工作面西側為160201工作面的采空區，兩工作面之間布設有約35m寬的煤柱。

二、工作面強礦壓顯現規律研究

1.建立模型

以160203工作面鉆孔綜合柱狀圖及采區內平面布置圖為基礎，并對條件進行適當簡化，建立數值模型。160201工作面和160203工作面走向長度分別在800m左右和1250m左右，傾向長度均為300m。

模型上覆巖層產生的壓力按靜水壓力大小在模型上邊界施加均布載荷。模型頂端施加的等效載荷按公式計算得到：

式中：γ—覆巖的體積力，25kN/m3；

H—模型頂界的深度，m。

煤層平均埋深以500m計算，模型高119m，根據上式計算，模型中煤層初始應力為13MPa左右，在模型上邊界施加的等效垂直應力載荷為10MPa左右。對于模型計算的邊界條件，首先對模型的四周各邊界施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0；然后再將模型的底部邊界固定，即底部邊界的水平、垂直位移都為0；最后將模型的頂部設為自由邊界。

2.模擬結果分析

（1）工作面超前支承壓力演化分布規律

對于160201工作面，按照依次回采100m、800m進行開挖，共模擬回采800m。據回采過程中應力場分布演化模擬結果表明，隨工作面向前推進，采場附近的應力集中程度和區域不斷變化。在工作面開挖面積較小時，應力集中以工作面采空區前后區域為主。隨工作面開挖面積增大，工作面采空區四周具有相似的應力集中，并最終變為以采空區兩側為主。

此外，由于煤層存在10°左右的傾角，工作面開挖后形成的應力場并非完全對稱，而是應力集中區域整體偏向下側的160203工作面，對于160203工作面回采時的應力場分布和演化具有明顯的影響。

為進一步分析160201工作面回采期間工作面走向的超前支承壓力分布規律，在160201工作面中部處沿走向方向提取160201工作面開挖階段超前支承壓力值，如圖1所示。由圖1可知，隨著160201工作面回采，超前支承壓力峰值先不斷上升，后逐漸穩定在40MPa左右（應力集中系數大概3.1），深度一般在工作面前方15m左右。

圖1 160201工作面沿走向超前支承壓力分布

對于160203工作面，按照依次回采100m、300m、500m、700m、900m和1250m進行開挖，模擬回采長度為1250m。

隨著160203工作面向前推進，采場附近的應力集中程度和區域不斷變化。在回采初期，160203工作面采空區附近應力場基本不受160201工作面采空區的影響，其應力場演化特征與160201工作面回采初期的應力場演化特征一樣。在160203工作面回采至大概400m時，其超前支承壓力開始明顯和160201工作面的側向支承壓力疊加在一起。隨160203工作面向前推進，這種支承壓力的疊加效應更強更明顯。隨后在整個回采期間，160203工作面都表現出一種從工作面上端頭向機巷停采線區域逐漸弱化的應力場分布特征。

為進一步分析160203工作面回采期間工作面走向的超前支承壓力分布規律，在Y=300m（160203工作面中部）處沿走向提取160203開挖階段超前支承壓力值，如圖2所示。由圖2可知，隨著160203工作面回采，工作面超前支承壓力也在隨之變化?？傮w上，超前支承壓力峰值先不斷上升，最后逐漸穩定在50MPa左右（應力集中系數大概3.8），深度一般在工作面前方15m左右。與160201工作面不同的是，160203工作面在回采至大概900m左右時，超前支承壓力峰值才開始逐漸穩定在50MPa左右，而160201工作面在回采至400m左右時其超前支承壓力峰值就開始穩定在40MPa左右。

圖2 160203工作面沿走向超前支承壓力分布

（2）工作面煤柱區段應力演化分布規律

在160203工作面回采過程中，為了研究開采活動對160203工作面回風巷的影響，提取160201工作面與160203工作面之間的區段煤柱應力進行分析。監測位置選擇在開采位置前方30m處煤柱內沿傾向方向。同時，提取距離160201工作面開切眼30m處的煤柱內沿傾向方向的豎向應力值。

通過區段煤柱應力分析，在160203工作面回采期間，其前方30m處煤柱區域的應力分布演化表現出與超前支承壓力類似的規律。在工作面回采初期，其應力分布為單峰狀態，且隨工作面推進，峰值應力逐漸升高。在進入160201工作面采空區區域后，煤柱內的應力分布變為雙峰狀態。剛進入160201采空區區域時，160203工作面回風巷側的應力峰值比160201工作面機巷側的應力峰值大。隨后，煤柱兩側的應力峰值逐漸變為相等。最終，在停采線區域，煤柱中的應力峰值最大達到68MPa左右，對應應力集中系數約為5.2。

三、結論

1. 工作面回采過程中，超前支承壓力峰值呈先升高后未穩定的趨勢，160201工作面約在回采400m處，超前支承壓力峰值開始穩定，最大值約為40MPa；由于160201工作面采空區側向支承壓力和煤層傾角的影響，160203工作面回采至900m時超前支承壓力開始出現穩定，峰值約為50MPa。

2. 臨近工作面的采空區是導致160203工作面超前煤柱區應力水平升高、煤柱豎向應力急劇變化的主要原因。工作面回采至160201工作面采空區后，其超前煤柱區域的應力水平開始明顯升高，最高值約為68MPa，出現在停采線附近；當160203工作面回采接近160201工作面切眼時，160201工作面前方30m位置處煤柱內豎向應力處于雙峰狀態，并先慢后快逐漸升高。當160203工作面回采過160201工作面前方30m監測線后，對應煤柱兩側的支承壓力峰值重合，由雙峰狀態變為單峰狀態，應力峰值急劇增大，將極易發生整體破壞并釋放聚集的大量彈性能。