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宽沟煤矿覆岩活动及应力演化的数值模拟研究

作者：刘昆轮1 张传玖2 日期：2014-05-07 09:36 来源：未知

(1.神华新疆能源有限责任公司总工程师办公室新疆乌鲁木齐 830027；2.神华新疆能源有限责任公司宽沟煤矿新疆乌鲁木齐 830012)
[摘要]研究工作面覆岩活动及应力演化对于防治本工作面的冲击灾害有着重要的意义。本文根据宽沟煤矿实际的地质条件和生产状况，对W1143工作面
覆岩活动及应力演化进行了数值模拟研究。模拟结果表明：（1）W1143工作面回采受上分层影响显著；（2）当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升高，集
中程度加大，冲击危险性增加；（3）由于工作面超前支承压力和上层煤残留煤体对下方煤体应力叠加，当W1143工作面距离上层煤采空区水平面的投影20m时，工
作面前方应力集中程度达到最大；（4）工作面进入上分层采空区下方后，工作面的危险性开始降低。
[关键词]覆岩；应力；数值模拟；冲击矿压
中图分类号:TD325O 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)17-0274-02
1 概况
宽沟煤矿是神华新疆公司控股的一个井工矿。井田位于新疆呼图壁县城西
南70km，北距大丰镇50km，东距乌鲁木齐市95km。2010年10月8日9时，宽沟煤
矿W1143工作面发生了一起冲击地压，煤层和底板岩石突出容积约247m3，造
成了人员伤亡和设备损坏的严重后果。宽沟煤矿“10.8”冲击地压灾害是新疆采
煤史上首例造成重大人员伤亡的冲击地压灾害。冲击地压灾害不但造成了人员
伤亡及设备损坏，而且由于是首次发生，对冲击地压缺乏认识，还给工人心理造
成恐慌。因此，需要研究宽沟煤矿工作面覆岩活动与矿压显现规律，可以为矿井
工作面的冲击地压治理提供指导和参考。本项目的开展对于宽沟煤矿保证安全
生产具有重要的现实意义。
2 覆岩活动及应力演化的数值模拟
2.1 建立模型
模拟方案选择在W1143工作面剖面Ⅰ和Ⅱ及走向剖面进行模拟，剖面Ⅰ位置
W1143工作面受W1141采空区的影响，模拟在W1141采空区影响下W1143工作面
覆岩的活动和围岩运动应力分布特征；剖面Ⅱ位置W1143推进到W114(2)3和W114
(2)1采空区的位置，受多个采空区的影响下，模拟W1143工作面覆岩的活动和围岩
运动应力分布特征，走向剖面模拟开采过程超前支承压力及覆岩运动规律。
根据Zk303钻孔资料及W1143工作面底板物理力学测试结果进行建立模
型和参数赋值，见下表1。
2.2 W1143工作面受相邻采空区影响应力演化规律
图3所示为W1141工作面回采顶板岩层向上运动垮落，垮落高度达到38m，
顶板中部岩层先失稳破断、工作面两侧顶板达到破坏条件后开始失稳破坏，采
场中部岩层顶板破坏的高度大于两侧顶板的冒落高度，最终形成以工作面两侧
煤体为支撑点平衡空间结构，形成侧向悬顶，造成工作面两侧煤体应力集中，
W1141工作面回采后围岩应力分布如图5。
图4为W1143工作面回采后，受采动影响顶板岩层活动高度增加了，W1143
工作面回采后覆岩的垮落高度为18～40m，顶板裂隙带的高度明显增加，顶板
的岩层运动的范围扩大，岩层运动和影响的高度向上发展。受二次采动影响，产
生应力叠加，造成W1143和W1141工作面之间的区段煤柱应力集中程度上升，
如图6所示。
如图7所示，煤柱应力分布区域显示煤柱在侧向支承压力作用下形成应力
集中，一次采动影响煤柱形成较低水平的应力集中，受相邻面回采时的二次采
动影响，煤柱将导致应力叠加，使应力集中程度成倍增加。
2.3 W1143工作面受相邻三个采空区影响应力演化规律
模拟开挖顺序为W114（2）1—W114（2）3—W1141—W1143。当开挖W114
（2）1后（图8），其上方的覆岩垮落高度为18m；当开挖W114（2）3后（图9），其上
方覆岩垮落高度为18～40m；当开挖W1141后（如图10）受W114（2）1和W114（2）
3采空区的影响，W114（2）1和W1141的上覆岩层垮落带在高度方向上向上发
展，B42煤层上方采空区相互影响，影响范围产生叠加；当开挖W1143后（图11），
受三个采空区的影响，覆岩运动范围相互影响，影响范围叠，影响高度加大。
开挖W114（2）1后，围岩的应力分布如图12，其应力主要集中在W114（2）1
两侧的煤体上；开挖W114（2）3后，围岩的应力分布如图13，W114（2）1、W114
（2）3之间煤柱应力叠加，应力集中系数增大；开挖W1141后，围岩应力分布如图
14，W114（2）1、W1141的上覆岩层充分运动,使得W1141煤体的应力和W1141、
W1143区段煤柱的应力得到释放，应力集中系数降低；当开挖W1143后，围岩应
力分布如图15，受W1143、W1141、W114（2）1和W114（2）3岩层影响，覆岩运动
的范围加大，导致应力集中水平上升，应力很大程度上集中到W1141、W1143区
段煤柱上。
如图16，由于工作面回采，采动应力叠加使区段煤柱应力集中，W1141工作
面回采后，煤柱形成应力集中，而开采煤柱上方工作面后，释放煤柱的应力，因
此，W1143和W1141煤柱在W1141工作面回采时受采动影响，发生一次应力集
中，W1143工作面回采期间又受采动影响产生应力叠加，集中程度高。
2.4 W1143工作面推进过程应力演化规律
(1) 老顶的初次破断和垮落情况
如图17，第一老顶初次破断极限悬顶长度为50m。第一次老顶垮断时，造成
煤体的应力集中系数为2，围岩应力集中主要在工作面前方40m范围内，覆岩的
垮落高度为18～20m，围岩的作用力主要来源于该层的老顶运动。
图18至图22分别为工作面推进距W114（2）3开切巷西帮50m、30m、0m、
40m、80m时围岩位移和应力分布情况，工作面推进距离W114（2）3开切巷50m
时，工作面超前支承压力影响不受上覆煤层开采遗留煤体的影响，当推进至距
W114（2）3开切巷30m时W1143工作面超前支承压力为自身超前支承压力和上
方煤体压力叠加作用形成，至距W114（2）3开切巷0m时，上下煤层应力叠加，进
入W114（2）3开切巷后，煤体应力逐渐得到释放，应力集中程度开始降低。
综上所述，W1143工作面回采受上分层影响显著，上分层煤层未采部分相
当于在W1143工作面上部留下一个大煤柱，W1143工作面向W114（2）3开切巷
位置推进，应力变化如图23，当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升
高，集中程度加大，冲击危险性增加。当W1143工作面距离上层煤采空区水平面
的投影20m时，工作面前方应力集中程度达到最大，主要原因为工作面超前支
承压力和上层煤残留煤体对下方煤体应力叠加。工作面的危险性开始降低是进
入上分层采空区下方后，工作面中下部处于卸压区，冲击危险性降低。
3 结论
本文根据宽沟煤矿实际的地质条件和生产状况，对W1143工作面覆岩活动
及应力演化进行了数值模拟研究。模拟结果表明：（1）W1143工作面回采受上分
层影响显著；（2）当工作面接近上方采空区下方时，煤体应力开始升高，集中程
度加大，冲击危险性增加；（3）由于工作面超前支承压力和上层煤残留煤体对下
方煤体应力叠加，当W1143工作面距离上层煤采空区水平面的投影20m时，工
作面前方应力集中程度达到最大；（4）工作面进入上分层采空区下方后，工作面
的危险性开始降低。
参考文献
[1] 齐庆新,窦林名·冲击地压理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,
2008:32-43.
[2] 雷松林,郑永来.有限差分程序FLAC基本原理及其在工程中的应用[J].
东北水利水电,2007,25(8):4～6.
[3] 孟宪锐,周昌星,等.千米深部大倾角特厚煤层综放回采巷道矿压显现
规律研究[J].煤,2008,17(11):1～4.