高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究

遲鵬　朱海濤

摘 要：礦井開采深度增加的過程中，采掘工作面的應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其中的高地應(yīng)力的條件下松軟煤層的掘進(jìn)工作面也會(huì)出現(xiàn)一定的變化。本文結(jié)合工程實(shí)際，簡(jiǎn)要分析了高地應(yīng)力特拉煤車掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布的規(guī)律理論，并對(duì)其分布規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬，并對(duì)高地應(yīng)力高瓦斯壓力特軟煤層掘進(jìn)工作面進(jìn)行了突出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：突出預(yù)測(cè)；應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律；高地應(yīng)力

1 分析高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的相關(guān)理論

根據(jù)巖石蠕變曲線（圖1）可知三條蠕變曲線。根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果可知，如果一個(gè)較小的恒定荷載持續(xù)地對(duì)巖石產(chǎn)生作用，那么隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，巖石的變形量也會(huì)有所增加。然而隨著時(shí)間的增加，蠕變變形的速率也會(huì)逐漸減小，最后到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的極限值，也就是穩(wěn)定蠕變。如果具有較大的荷載，那么蠕變就會(huì)無限增長(zhǎng)，產(chǎn)生典型的不穩(wěn)定蠕變。應(yīng)力大小決定了煤巖是發(fā)生不穩(wěn)定蠕變還是發(fā)生穩(wěn)定蠕變。如果應(yīng)力沒有超過長(zhǎng)期強(qiáng)度，那么煤巖就按照穩(wěn)定蠕變發(fā)展，否則就向不穩(wěn)定蠕變發(fā)展。

根據(jù)應(yīng)變力學(xué)特征，在高地應(yīng)力作用下，深部礦井采掘工作面的松軟煤層還沒有達(dá)到峰值強(qiáng)度，但是隨著時(shí)間的增加變形仍然會(huì)不斷增加，直接進(jìn)入變形階段，這一現(xiàn)象又被稱為靜疲勞現(xiàn)象，也就是煤巖會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化。此時(shí)工作面前方的應(yīng)力分布尚未出現(xiàn)峰值區(qū)域。例如某煤礦的煤層堅(jiān)固性系數(shù)在0.1-0.2之間，具有比較完整和堅(jiān)硬的頂?shù)装澹瑥念A(yù)測(cè)指標(biāo)3m開始，鉆孔深度增加的過程中工作面前方?jīng)]有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)原理

由于當(dāng)前我國(guó)尚未有比較成熟的技術(shù)手段來對(duì)掘進(jìn)工作面前方的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有效的測(cè)試，本文采用了KSE-Ⅲ型鋼弦測(cè)力儀。在工作面前方埋設(shè)應(yīng)力計(jì)對(duì)工作面前方固定位置的相對(duì)應(yīng)力變化進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)工作面前方的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行反演。將KSE-Ⅲ型鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力枕布置在采掘工作面前方煤體內(nèi)鉆孔中，并且注入液壓油，促使探頭和煤巖耦合，這樣就可以用壓力枕內(nèi)的液體壓力來表示煤體應(yīng)力的變化，并將其轉(zhuǎn)變成為鋼弦振動(dòng)的頻率信號(hào)，再使用專業(yè)軟件就可以將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值。但是此時(shí)測(cè)得的應(yīng)力值是相對(duì)變化值而不是絕對(duì)值。具體情況見圖2。

2.2 選擇試驗(yàn)區(qū)域

選擇某高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面，作為試驗(yàn)區(qū)域。該采面的地面標(biāo)高是+74-+76m，標(biāo)高是-460--570m，煤層厚度是2.2-3.5m，埋深是534-615m，煤層走向是W53°N，平均厚度是3.1m，傾角為10°～ 18°，該采面煤巖的堅(jiān)固系數(shù)是0.15-0.50。該采面煤層的直接頂是厚度約7.0m的砂質(zhì)泥巖，使用煤層頂板掘進(jìn)把錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，該采邊的巷道斷面是4300mm×3000mm。該區(qū)域就比較簡(jiǎn)單的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，瓦斯含量約為20-22m3/t，瓦斯壓力約為1.5-2.0MPa，并且屬于突出危險(xiǎn)區(qū)。

2.3 分析測(cè)試結(jié)果

圖3為沿掘進(jìn)方向轉(zhuǎn)場(chǎng)的應(yīng)力發(fā)展演化監(jiān)測(cè)曲線。應(yīng)力計(jì)與掘進(jìn)迎頭的距離為8到13m時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)比較微小。當(dāng)工作面推進(jìn)到3-8m時(shí)，又一直出現(xiàn)了相對(duì)高值，接著又逐漸降低。應(yīng)力計(jì)與巷幫垂距相距6m時(shí)，受影響的范圍較小。應(yīng)力增高區(qū)域?yàn)榫蜻M(jìn)工作面正前方的38m，此時(shí)無明顯盈利峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為1.3。由于試驗(yàn)工作面頂板具有較好的完整程度和較高的硬度，因此直接進(jìn)入了蠕變狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力增高區(qū)。

3 模擬高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律數(shù)值

通過離散單元法（ Distinct Element Method）的三維數(shù)值模擬程序3DEC數(shù)值模擬軟件來對(duì)高地應(yīng)力特軟煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律數(shù)值進(jìn)行模擬，并建立相應(yīng)的模型。將17MPa垂直應(yīng)力加載模型的上部，并且使巷道圍巖的應(yīng)力進(jìn)行平衡分布，然后模擬掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力的分布情況，具體情況見圖4。工作面前方3-8m為巷道前方應(yīng)力增高區(qū)域，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為1.05-1.10。

4 結(jié)語

在高應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，深部開采煤巖體可能會(huì)進(jìn)入流片狀態(tài)，出現(xiàn)比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)分布，甚至煤體屈服會(huì)直接進(jìn)入蠕變狀態(tài)，表現(xiàn)為應(yīng)力增高區(qū)不出現(xiàn)明顯應(yīng)力峰值。