官地矿3#煤层采空区底板应力分布对8#煤层工作面回采影响分析

王二斌

（西山煤电官地矿生产调度中心，山西 太原 030022）

1 28416工作面地质概况

西山煤电集团有限公司官地矿井田28416工作面地质构造复杂，水文地质条件复杂，盖山厚度150～458m，平均厚度304m。对8#工作面安全回采影响因素主要有8#煤地质特征及煤层性质、断层、陷落柱及3#煤采空区。

1.1 8#煤地质特征及煤层性质

8#煤整体呈褶皱构造，西北侧向斜构造，轴向76°，两翼倾角3～20°；中部为向斜构造，轴向38°，两翼倾角约7°；东侧为背斜构造，轴向69°， 两翼倾角约5°。8#煤层老顶为灰岩含水层，回采过程中在向斜轴部，遇地质构造及顶板裂隙带时会有淋水渗出。8#煤工作面瓦斯绝对涌出量8m3/min，属于高瓦斯矿井，8#煤尘爆炸指数13.36%；煤尘爆炸指数13.51%。煤层自燃倾向性：8#煤层为Ⅱ类自燃煤层；9#煤层为Ⅲ类不易自燃煤层。8#煤层之间间距、倾角及采区划分详见表1。

表1 8#、9#煤层特征表

1.2 断层及陷落柱情况

该面掘进过程中揭露落差0.40～5.00m的正断层16条，预计工作面回采过程中工作面内还将揭露落差0.70～2.20m的正断层8条。掘进过程中揭露陷落柱共计12个，其中最大陷落柱面积11508m2，最小陷落柱面积459m2，其余绝大多数陷落柱面积在2000～7000m2。

1.3 3#煤采空区分布情况

工作面井下跨越中四、南四采区，工作面四周为未采区，上部为23416、23418、16407及23414工作面采空区。采空区煤柱50m，形态大小差异很大，3#煤采空区处理采用全部垮落法。采空区积水量共计13600m3，对回采造成一定影响。3#与8#煤层间距约58.49m，预计回采至采空区低洼处时可能有少量积水沿采空裂隙渗出，影响矿井安全生产。

2 28416工作面生产概况

28416工作面设计可采走向长1438m，正巷设计长度为1705m，副巷设计长度为1771 m，采长198m；8#煤层平均厚度3.71m（可采），9#煤层平均厚度3.02m，8#与9#联合开采平均厚度6.73m；煤层倾角0°～20°；工作面正巷、副巷均采用矩形断面：净宽4.20m，净高3.00m；切眼采用矩形断面：净宽8.50m，净高3.00m。

工作面采用倾斜长壁后退式采9#煤放8#煤综采低位放顶煤综合机械化采煤方法，采放比1:1.23。采9#煤时，若8#、9#煤层间距小于1.00m时，采取跟顶跟底一次采全高。若8#、9#煤层间距大于1m或9#煤顶板较坚硬时，采取破顶跟底开采，破顶后9#煤顶板厚度不小于500mm。（破顶开采时必须制定专项技术措施）若破顶后采高超过3.50m时，采取留底煤破顶开采，保证采高不高于3.50m、不低于3.00m。

3 3#煤采空区底板应力分布对8#煤回采影响

3#号煤层开采后形成的采空区，对8#煤工作面回采影响主要体现在3#号煤底板应力分布影响，同时采空区积水、积气也对工作面回采造成安全隐患。因此，本文主要通过理论分析和数值模拟分析两种方法探讨3#煤层的底板应力分布对8#煤工作面回采影响。

3.1 理论分析3#煤采空区底板应力分布特征

3#煤工作面回采必然对煤层底板应力和岩性造成一定影响。开挖前，属于原岩应力区，开挖后由于支承应力与原岩应力相互叠加，形成了应力集中区。形成采空区后，属于卸压区。底板岩层受到破坏形式主要有剪切和拉伸破坏，其破坏区深度通过理论计算可得。

式中：

γ-上覆岩层容重，取2.2×104kN/m3；

H-埋深，m；

L-工作面长度，取120m；

R-岩体单轴抗压强度，MPa。

经过计算得出3#煤底板破坏区7.66m，裂隙区11.49m，由于工作面回采底板影响深度为19.15m。并结合3、8#煤层间距58.49m，因此分析可知，3#煤工作面采空区对8#煤采空区稳定性影响有一定影响，但影响不大。

3.2 数值模拟3#煤采空区底板应力分布特征

根据28416回采工作面实际地质情况及生产概况，工作面长度取198m，工作面采深取304m，3号煤层根据开采情况视为采空区， 3#与8#煤层间距约58.49m。本文采用数值模拟软件进行数值模拟分析3#煤采空区对8#煤层工作面回采影响。

由于井下开挖开采，主要涉及粘土块状岩体，因此选取摩尔—库伦模型。根据开采影响范围，上边界采用应力边界，取3#煤上方50m。下边界取位移固定边界，取8#煤下方30m，左右采取位移边界。数值模型采用重力加载，待加载平衡后，采取井下开挖。由于矿井采空区采用全部垮落法，因此开挖模型采用NULL模型，其模拟分析结果如下，通过HIST命令设置监控点，结果如下表2。

本文监测了采空区底板40m应力分布特征。在0～3m内，应力最小，处于卸压区，主要是由于煤体破损。其后3～20m内，由于原岩应力和支承应力相互叠加，导致应力集聚升高，应力最大值26.95MPa，应力集中系数2.3，其后20～30m，其应力逐步降低，但是应力比较大。30～40m，属于原岩应力区，应力分布特征如表2和图1所示。

4 结论

本论文以28416回采工作面地质概况及开采技术为研究背景，采用理论分析法和数值模拟分析法分别对3#煤采空区底板应力进行研究分析，得出：

（1）本文主要从3#煤采空区底板应力分布特征进行分析，重点分析了3#煤采空区对8#煤工作面影响，3#煤采空区范围内应力影响范围最大距离19.15m，对8#煤工作面回采影响不大。

（2）28416回采工作面区域内地质结构复杂，有大量小断层，断层附近多为泥岩、破碎的粉砂岩。在实际回采过程中，容易成为导水通道，因此实际开采过程中应加强28416回采工作面探放水。

表2 采空区底板应力分布表

图1 采空区底板应力分布与底板下方距离关系（m）图