不规则孤岛工作面应力演化数值模拟.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：作者简介：郭星会（），男，陕西府谷人，助理工程师，年毕业于西安科技大学采矿工程专业，现从事煤矿开采技术工作。引用格式：郭星会，张旺，贺永强，等 不规则孤岛工作面应力演化数值模拟 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）不规则孤岛工作面应力演化数值模拟郭星会，张旺，贺永强，温耀东，苗亮明（府谷能源投资集团 沙沟岔矿业有限公司，陕西 府谷 ）摘要：不规则孤岛工作面是在井田边界、工作面接续不合理等因素的共同影响下产生的，针对受邻近采空区支承压力以及构造应力作用，不规则孤岛工作面回采期间动压显现异常且频繁问题，以某矿 孤岛工作面为工程背景，采用 数值模拟软件对 工作面回采期间垂直应力分布及演化以及工作面拐角煤柱前后方采动应力变化规律进行探究，分析了在开采扰动作用下，工作面“拐角煤柱处”区域应力场以及位移场的动态演化特征。结果表明，相较于规则工作面，不规则工作面回采至“拐角煤柱”处，垂直应力存在阶梯式跃升趋势，应力跃升值为 ，垂直应力峰值最易出现在工作面“一次见方”以及“二次见方”阶段，所得结论可为不规则孤岛工作面回采期间冲击地压针对性防治提供参考。关键词：孤岛工作面；冲击地压；数值模拟；应力演化中图分类号：文献标志码：，（，）：，“”，：；：冲击地压的发生机理一直是力学以及采矿学界长期研究而未曾解决的课题，严重制约了矿井的高产高效生产以及人员安全 。根据冲击地压动静载叠加原理，诱发冲击地压的关键因素在于应力的集中以及能量释放 。由于矿井早期开采布置不合理，在后期开采过程常导致“孤岛工作面”的出现，此类工作面覆岩空间复杂且邻近煤柱应力集中程度高，冲击危险性较高，给冲击地压防治带来极大困难 。同时据统计，的冲击地压事件均发生于地质构造（断层、褶皱、煤岩相变区）等地质不 年第 期煤炭科技第 卷连续体邻近位置，由于地质不连续体破坏了煤岩体的空间结构，地质构造区域应力场分布较为复杂。针对复杂条件下孤岛工作面采掘期间应力分布特征，荆升国等 基于 分析了煤层单轴抗压强度、基本顶断裂位置、护巷煤柱尺寸以及工作面尺寸等因素对孤岛工作面沿空掘巷顶板垂直应力分布特征；窦林名等 认为相较于实体煤工作面，孤岛工作面及其邻近采掘空间应力集中程度高，同时在地质构造的影响下，孤岛工作面冲击危险程度较高，较易诱发冲击地压。综上所述，学者已对孤岛工作面采掘期间应力分布特征以及冲击地压灾害的影响开展了诸多研究，但是针对不规则布置的孤岛工作面回采期间应力场分布动态演化特征，仍鲜见报道。故基于某矿 不规则孤岛工作面地质以及开采技术因素，通过数值模拟对采掘期间工作面应力异常区域、位移演化趋势进行分析，以期为不规则孤岛工作面采掘期间冲击地压防治提供参考。工程背景某矿 工作面为该矿井 采区后期开采工作面之一，采区主采煤层为 煤，工作面范围内 煤层埋深约为 ，平均厚度为 ，经鉴定 煤具有弱冲击倾向性。煤层直接顶为泥岩与细粉砂岩，平均厚度 ；基本顶为灰色粗砂岩、浅灰色，厚 ；号煤层底板为粉砂岩，平均厚度 。工作面地质构造相对简单，未见落差超过 断层及褶曲分布。目前 工作面为两面临空的孤岛工作面，工作面东侧为 采区上山巷道及瓦斯抽放硐室，西侧为 采区上山巷道，南侧为邻近矿井采空区，北侧为 年 月已回采结束的 采空区。工作面与 工作面采空区之间留有 的煤柱，与邻近矿井采空区留设宽 的煤柱。工作面开采初期长度为 ，推进至 处，工作面缩面为 ，工作面总推进长度为 。孤岛工作面为“刀把形”不规则工作面，如图 所示。受邻近采空区上覆岩层运动，孤岛工作面掘进初期动压显现明显，并伴随有强矿震。工作面应力演化特征分析首先根据 号煤层 工作面邻近区域地质钻孔（图）以及对应煤岩物理力学参数，建立 图 工作面布置平面 图 工作面邻近钻孔柱状 三维数值模拟模型；其次对邻近工作面以及 工作面进行模拟掘进和回采，分析 工作面采前、“一次见方”“二次见方”期间支撑压力分布特征，探究 工作面回采期间应力演化规律，明确回采期间应力异常区域，为 工作面安全开采提供切实有效的理论参考以及防治重点区域。数值模型与模拟方案几何模型走向长度为 ，倾向长为 ，高度为 。模型中包括 煤及其顶底板岩层共计 层，其中 号煤层厚度为 。根据矿井煤岩物理力学测试结果，数值计算模型各分层力学参数见表 。模型 个侧面限制水平移动，底面 年第 期郭星会，等：不规则孤岛工作面应力演化数值模拟第 卷限制垂直移动，顶面为自由边界，模型上部按等效均布载荷施加到模型上部边界上，其数值根据模型上边界的埋深和平均岩体密度计算。在模型走向方向的水平应力与竖直方向应力相同，呈线性分布；倾向应力分布近似走向方向。表 数值计算模型岩体力学参数 岩层密度（）体积模量 剪切模量 抗拉强度 内摩擦角（）黏聚力 铝土质泥岩 中粒砂岩 细粒砂岩 号煤层 砂质泥岩 粉砂岩 泥岩 含砾粗砂岩 详细计算步骤如下：采用 准则生成模型，进行初始应力平衡；依次模拟邻近 、工作面以及邻近矿井工作面开采；待邻近采空区开采完毕，应力平衡后，对 孤岛工作面进行模拟掘进以及开采。孤岛工作面开采前应力分布受井田边界、邻近采空区以及开采历史等因素限制，工作面布置为两面临空的不规则孤岛工作面。邻近工作面开采完毕且 工作面巷道及切眼完成掘进后，孤岛工作面垂直方向应力分布情况如图 所示。由图 （）可知，工作面与邻近矿井采空区煤柱侧出现了应力集中现象，应力集中系数为 ，煤柱支撑压力峰值约为 。由图 （）可知，工作面“拐角煤柱”位置由于受邻近采空区以及本工作面掘进影响，该处应力集中系数为 ，应力集中程度较高。而前期 工作面开采时，两侧煤柱支撑压力仅为 。综上所述，此时 孤岛工作面两侧煤柱支撑压力峰值明显大于同水平其他实体煤工作面，工作面整体冲击危险程度较高。工作面应力峰值位置位于 工作面“拐角煤柱”侧，静载集中程度较高。孤岛工作面“一次见方”当工作面从开切眼回采距离接近本工作面长度时，上覆岩层极易出现“”跨落，此时称为工作面的首次“见方”；对于不规则工作面亦有类似规律。对于类矩形采场，当回采距离等于工作面长度时，即当工作面“见方”时，此时垂直方向应力有最大值 。图 模型初始平衡后应力分布 孤岛工作面“一次见方”阶段应力分布情况如图 所示。由图 可知，当 外段工作面回采 处时，此时工作面右侧煤柱以及工作面前方均出现明显应力集中情况，工作面最大垂直应力值约为 ，应力集中系数为 。本阶段上覆岩层易出现“”型破断，释放大量动载荷，与高静载叠加容易诱发冲击地压 。图 “一次见方”阶段应力分布 工作面支撑压力分布情况如图 所示。由图 可知，由于工作面拐角煤柱影响，工作面左侧支撑压力在邻近拐角煤柱时存在明显应力跃升，相较同一距离 工作面右侧支撑压力，此时左侧 年第 期煤炭科技第 卷支撑压力跃升 。说明由于工作面长度减小，顶板在回采不连续处活动较为强烈，应力在地质体不连续处集中。图 工作面支撑压力分布 孤岛工作面“二次见方”由于 工作面呈“刀把形”布置，分外段和内段开采，同时受邻近采空区影响，该工作面会出现两次“见方”。孤岛工作面“二次见方”阶段应力分布情况如图 所示。由图 可知，当 外段工作面回采 处，此时工作面最大垂直应力值约为 ，应力集中系数由 上升至 ，工作面应力集中程度较高，工作面顶板运动复杂，静载荷较为集中。图 “二次见方”阶段应力分布 “二次见方”阶段拐角煤柱应力分布如图 所示。由图 可知，工作面垂向应力在拐角煤柱侧以及右侧煤柱均有明显集中。拐角煤柱应力集中区域主要分布形态呈“直角三角形”，应力峰值位于三角形的直角顶点；拐角煤柱靠近两侧采空区方向应力集中程度明显高于煤柱内侧，且高应力与煤柱邻近采空区距离呈正比。此时拐角煤柱侧垂向应力为 ，应力集中系数达 ，接近工作面最大垂直应力值；此时工作面邻近拐角煤柱侧冲击危险性较高，故需加强冲击地压的预测预报及预卸压工作。图 “二次见方”阶段拐角煤柱应力分布 结论（）孤岛工作面两侧煤柱支撑压力峰值明显大于同水平其他实体煤工作面。当邻近工作面开采完毕且 工作面巷道及切眼完成掘进后，煤柱支撑压力峰值约为 ，应力集中系数为 。（）孤岛工作面“一次见方”阶段，工作面右侧煤柱以及工作面前方均出现明显应力集中情况，本阶段上覆岩层易出现“”型破断，释放大量动载荷，与高静载叠加容易诱发冲击地压。（）由于 工作面呈“刀把形”布置，“二次见方”阶段工作面垂向应力在拐角煤柱侧以及右侧煤柱均有明显集中，并且拐角煤柱区域应力集中程度远高于工作煤柱侧，冲击危险程度较高。参考文献（）：王存文，姜福兴，刘金海 构造对冲击地压的控制作用及案例分析 煤炭学报，（）：，（）：窦林名，何学秋 冲击矿压防治理论与技术 徐州：中国矿业大学出版社，佩图霍夫 煤矿冲击地压 北京：煤炭工业出版社，朱广安，窦林名，刘阳，等 采动影响下断层滑移失稳的动力学分析及数值模拟 中国矿业大学学报，（）：，年第 期郭星会，等：不规则孤岛工作面应力演化数值模拟第 卷 ，（）：朱广安，窦林名，刘阳，等 深埋复杂不规则孤岛工作面冲击矿压机制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：陈庆国，尹子霆，牟宗龙，等 复杂地质工作面冲击地压原因及防治技术 煤炭科技，（）：，（）：牟宗龙，窦林名，张广文，等 坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：窦林名，田鑫元，曹安业，等 我国煤矿冲击地压防治现状与难题 煤炭学报，（）：，（）：钱鸣高，石平五，许家林 矿山压力与岩层控制 徐州：中国矿业大学出版社，李志华，窦林名 采动影响下断层滑移诱发煤岩冲击机理研究 徐州：中国矿业大学出版社，荆升国，谢文兵，赵晨光 孤岛综放工作面沿空掘巷围岩变形因素研究 煤炭科学技术，（）：，（）：窦林名，赵从国，杨思光 煤矿开采冲击矿压灾害防治 徐州：中国矿业大学出版社，何江 煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机制研究 徐州：中国矿业大学，唐坤 深部孤岛工作面开采应力演化模拟分析及监测预警 煤炭科技，（）：，（）：沈志平 临近断层群及不规则残留煤柱影响区工作面冲击地压防治技术研究 煤炭科技，（）：，（）：郄峰 孤岛工作面回采期间冲击地压防治设计 煤炭科技，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）王国龙，常云博，林陆，等 三软煤层巷道布置优化与联合支护技术研究 煤炭工程，（）：，（）：许旭辉，何富连，李晓斌，等 大采高工作面煤柱扰动下巷道冲击机理及优化设计 采矿与安全工程学报，（）：，（）：李欢恒 漳村矿 综放工作面切顶护巷技术研究 徐州：中国矿业大学，金力波 常村煤矿切顶卸压护巷技术研究 太原：太原理工大学，刘长友，曹胜根，万志军，等 高产高效综放工作面端面顶板稳定性监测 岩土力学，（）：，（）：孙兴忠，王涛 大采高综放工作面停采线煤柱合理宽度研究 山东煤炭科技，（）：，（）：崔玉江 高瓦斯矿井大涌水量综放工作面安全快速回撤技术研究 科学与财富，（）：，（）：许延春，张二蒙，马子民，等 预裂爆破切顶对底板破坏深度及矿压影响规律 煤炭工程，（）：，（）：刘文静，李刚，梁少剑，等 特厚煤层坚硬顶板水力压裂控制技术研究 煤炭工程，（）：，（）：钱鸣高，石平五，许家林 矿山压力与岩层控制 徐州：中国矿业大学出版社，徐芝纶 弹性力学简明教程 北京：高等教育出版社，杜计平，孟宪锐 采矿学 徐州：中国矿业大学出版社，周长冰 高温岩体水压致裂钻孔起裂与裂缝扩展机理及其应用 徐州：中国矿业大学，