孤岛工作面顶板矿压分布特征研究

余学义 尚 轩 张冬冬 毛旭魏 张建兵

(1. 西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2. 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室, 陕西省西安市，710054)



孤岛工作面顶板矿压分布特征研究

余学义1,2尚 轩1,2张冬冬1,2毛旭魏1,2张建兵1,2

(1. 西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2. 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室, 陕西省西安市，710054)

为了解孤岛工作面在形成前及回采过程中顶板压力情况，以某矿2321工作面为例，应用FLAC3D数值模拟方法分析其顶板在两侧工作面开采之后及在回采过程中的应力分布情况。结果表明，当两侧工作面在未回采到测线处时，其顶板上的应力值大小近似于原岩应力；采过测线后，应力随之增大，最终保持稳定。此时顶板上方应力为1.3～2.0倍原岩应力，且应力集中主要分布在两侧。回采期间，当工作面开采130 m时，超前压力最大值为43 MPa，出现在距煤壁11 m处左右。

孤岛工作面 顶板压力分布 矿山压力 数值模拟

孤岛工作面能够有效解决由于煤矿生产接替导致的掘进速度满足不了工作面推进速度的问题。因此，目前国内大量的矿井开始用孤岛工作面进行开采。但是孤岛工作面开采容易产生应力集中，使得煤层顶板矿压显现的程度更加明显，因此了解孤岛工作面在形成前以及在回采过程中顶板的压力情况，对巷道支护和其他孤岛工作面的超前巷道支护具有一定指导意义。

1 工程概况

1.1 工作面情况

某煤矿2321孤岛工作面介于西2311工作面采空区和东2331工作面采空区之间，南起二采区西轨道巷，北边到F5断层保护煤柱，如图1所示，工作面标高-404.85～-468.8 m。该工作面采用综采工艺，推进方向为煤层走向。

1.2 煤岩层特征

2321孤岛工作面位于3#煤层，煤层厚度为5.85～6.15 m，厚度变化较大。煤层埋深为405～495 m，平均煤层埋深约为470 m，煤层倾角3°～7°，松散层厚约365～400 m。3#煤层裂隙发育较充分，普氏系数f=2～3，煤体较破碎。顶板为泥砂岩互层，厚度大于12 m，其中直接顶厚度小于0.6 m。泥岩厚0.48～2.1 m，颜色从浅灰到黑灰，块状，有较少量炭质赋存于里面。砂岩薄层状，灰白色，硅泥胶结，裂隙发育，f=5～8。3#煤层直接底主要是由含有微量的碳质、植物化石和黄铁矿结核的黑色块状泥岩构成，f=4～7，其厚度小于0.78 m；而老底则主要是由含有少量硅的灰色块状砂岩构成，硬度较大，裂隙发育较为充分，f=6～7，厚度大于8.2 m。

2 数值模拟建模

本次建模采用工程上常用的FLAC3D数值模拟软件，模型建立如图2所示。

图2 初始模型建立图

(1)模型尺寸。2321工作面长105 m，走向长780 m，靠近西侧2331工作面长90 m，走向长915 m，东侧2311工作面长120 m，走向长690 m。2321工作面两侧各有宽5 m的区段煤柱。沿煤层倾向采取5∶1的比例建模，沿煤层走向采取简化建模。为了尽可能做到模拟结果的准确，减少边界效应影响，在x、y方向各留20 m、30 m作为边界煤柱。z方向建立6 m的煤层底板岩层和90 m的煤层顶板岩层。

(2)单元数与单元尺寸。模型共建有网格数27640个，模型建立时，为了方便进行数值模拟计算，对模型进行了简化，针对重点观察的3#煤层顶板，建立的网格比较细密，而其他地方则比较稀疏。

(3)边界条件。在模型的左右、前后(x、y方向)两侧边界施加水平约束，使其位移为零，保持固定。设置模型底部的边界固定不动，即竖直方向位移为零。模型的顶部作为自由边界。在模型的顶部附加一个等效应力，用来模煤层上方覆岩到地表的重力。

按照工程地质概况，确定模型物理参数如表1所示。

表1 数值模拟力学参数表

3 数值模拟结果及分析

3.1 单侧工作面回采后应力分析

对于孤岛工作面的形成过程而言，孤岛面工作面是由一侧的工作面回采结束后，再回采另一侧的工作面而形成的。因此，其顶板也是在受到了一侧工作面开采的影响之后又受到另一侧工作面的开采影响。为了掌握孤岛工作面在形成前以及回采过程中顶板的矿压分布情况，需对此过程进行分步研究，在工作面右帮距离顶板2 m处，从煤帮向2321工作面煤体内60 m处布置3条测线，前10 m范围内，测点布置方式为每间隔1 m布置1个，紧接着15 m范围内测点布置方式为每间隔1.5 m布置1个，最后的35 m每隔2.5 m布置一个测点。测线布置如图3所示。在记录数据的过程中一次间隔100步。为研究2331工作面开挖后2321工作面顶板支撑压力的分布规律，进行数值模拟时在2331工作面左侧距顶板3 m处，自煤壁向2321工作面煤体内55 m处布置3条测线，其中前10 m每隔1 m 布置一个测点，其次15 m每隔1.5 m布置一个测点，最后的30 m采用2.5 m布置一个测点，测线布置如图3所示。在记录数据的过程中一次间隔100步。

图3 工作面测线布置图

2311工作面推进过程中2321工作面顶板应力变化如图4所示。

图4 2311工作面推进过程中2321工作面顶板应力曲线图

由图4(a)可以看出，当工作面还未开采到所布置的测线处时，在靠近测线处，工作面顶板的压应力几乎等于原岩应力，由此可以说明2321工作面煤层顶板还未受到开采的影响。当距测线15 m时，顶板测线处的压应力要比距测线30 m处略大。由图4(b)可以看出，随着工作面不断推进，测线附近的应力场也随之发生改变，其顶板上的压力值开始增大。当工作面从采过测线到回采结束过程中，测线处的压应力随之突然增大，最后当工作面上覆岩层稳定后，压应力达到最大值且保持稳定。靠近2311工作面一侧的2321工作面顶板的应力峰值出现在测线处8～9 m附近。

3.2 双侧工作面回采后应力分析

2331工作面推进过程中2321工作面顶板应力变化如图5所示。

图5 2331工作面推进过程中2321工作面顶板应力曲线图

由图5(a)可知，当采煤工作面未推进至测线的时候，测线处顶板的压力几乎和原岩应力相等，但不同于一侧工作面的开采，当2321工作面另一侧也开始回采时，测线处工作面顶板的压力值比单侧开采大。因此，2311工作面的开采影响了整个采场工作面顶板的受力情况。由图5(b)可知，当2331工作面回采过测线后，测线处顶板的压应力随之增大，当工作面上覆岩层稳定后，垂直应力达到最大值且保持稳定。靠近2331工作面一侧的2321工作面顶板的应力峰值出现在测线处8 m附近。

3.3 2321工作面回采期间超前压力分析

在回采2321工作面期间，数值模拟采区前390 m每隔10 m，后390 m每隔30 m做一个切片观测顶板上方压力分布情况。工作面回采中煤层顶板压力峰值情况如图6所示。由图6可以看出，随着工作面的推进，孤岛煤体产生全面的应力集中，工作面上方垂直压力逐渐增大后减小，待开挖稳定后，压力峰值基本保持不变，可以确定距工作面煤壁140 m左右时，压力达到最大值。超前支撑压力峰值在距离工作面煤壁前方位置，且峰值出现在距离煤壁11 m处左右，峰值为43 MPa，工作面超前压力同样先增大后减小。峰值过后压力逐渐减小，最终保持稳定。

图6 2321 工作面推进过程中2321工作面顶板应力曲线图

3.4 结果分析

数值模拟结果表明，2311和2331工作面的开采使2321工作面顶板两侧上方压力较按正常顺序开采时明显增大，尤其是当2331工作面开采结束后，这种现象尤为明显。同时也可以看到在开采前2321工作面顶板两侧压力大小成非对称分布，即靠近2331工作面一侧压力要大些。

不同于普通工作面，孤岛工作面由于受到两侧工作面开采的重复采动影响，其顶板压力显现更为突出，其中工作面超前支撑压力峰值明显大于一般工作面，且容易产生应力集中现象。

4 结论

本文主要研究了2321孤岛工作面在形成前以及开采推进中，工作面顶板的压应力分布情况。得出以下结论：

(1)单侧开采2311工作面。当未采到测线处时，2321工作面顶板几乎不受采动影响。当工作面推进过测线，压力逐渐增加，直到采空区稳定后，顶板压力达到最大值14 MPa。压力的最大值位于测线处8～9 m左右。

(2)双侧开采2331工作面。当未推进到测线位置处时，2321顶板压力近似于原岩应力，略大于单侧开采。工作面推进过测线，压力逐渐增大，直到采空区稳定后，顶板压力达到最大值14.5 MPa。最大值位于测线8 m处。

(3)回采2321工作面之前。其顶板压应力大小为1.3～2.0倍原岩应力之间，且应力分布在顶板两侧。回采2321工作面期间。在工作面刚开始回采的时候，工作面顶板上的应力集中最不明显，但随着工作面的不断推进，应力集中现象逐渐显现，并在回采中期时达到最大。当工作面推进130 m时顶板超前压力最大值为43MPa，出现在距离工作面煤壁11 m处。

[1] 朱兵兵. 孤岛工作面矿压显现规律及超前支护技术研究 [D]. 淮南：安徽理工大学，2015

[2] 冯占文，高勤琼. 孤岛工作面顶板矿压规律及控制研究 [J]. 煤炭科技，2015(11)

[3] 曹永模，华心祝，杨科等. 孤岛工作面沿空巷道矿压显现规律研究 [J]. 煤矿安全，2013(1)

[4] 钱鸣高，石平五，许家林. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2010

[5] 刘宝珠． 深部不规则大孤岛工作面冲击地压预测与防治技术 [J]. 中国煤炭，2013(6)

[6] 于元林.大采高孤岛采场覆岩运动破坏特征和矿压显现研究 [D]. 淮南：安徽理工大学，2007

(责任编辑 陶 赛)

Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face

Yu Xueyi1,2， Shang Xuan1,2， Zhang Dongdong1,2， Mao Xuwei1,2， Zhang Jianbing1,2

(1.School of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China;2. Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

In order to understand mining stress at roof of isolated work face before and during the extraction process, taking 2321 work face of a mine as an example, the FLAC3D numerical simulation software analyzed the stress distribution of roof after work faces of both sides during and after the process of mining excavation. The results showed that the roof stress was close to the original rock stress when work faces of both sides had not mined to measure line, the stress increased after mining over the line, then ultimately keeping stable. The stress at roof was 1.3 to 2 times of the original rock stress, and the stress concentration was mainly distributed on both sides. During mining process, the maximum value of the advance pressure equaled to 43 MPa and occurred at 11 meter away from the coal wall when the work face advanced 130 m.

isolated work face, roof stress distribution, mining stress, numerical simulation

高等学校学科点专项科研基金资助项目(20106121110003)，陕西省自然科学基金(2011JS005)

余学义，尚轩，张冬冬等. 孤岛工作面顶板矿压分布特征研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(7)：62-65. Yu Xueyi，Shang Xuan，Zhang Dongdong，et al. Study on the distribution characteristics of mining stress at roof of isolated work face [J]. China Coal，2017,43(7)：62-65.

TD823

A

余学义(1955-)，男，陕西定边人，教授，博士生导师，主要从事开采损害及防护方面研究。