超前支承壓力對下山的影響分析及合理停采線位置確定

陳 科,柏建彪,胡忠超,朱 琪

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州,221008)

超前支承壓力對下山的影響分析及合理停采線位置確定

陳 科,柏建彪,胡忠超,朱 琪

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州,221008)

為了分析工作面超前支承壓力對下山的影響,采用理論計算、數(shù)值模擬,對晉城永安煤礦工作面超前支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行了分析,確定了超前支承壓力峰值位置為距材料下山 30m外,高達(dá) 19.55MPa,疊加影響應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá) 3～3.5,且對底板深部產(chǎn)生影響。確定了合理的停采線位置為距離材料下山 60m,下山維護(hù)取得了良好的效果。

超前支承壓力;下山;數(shù)值模擬;停采線

煤層開采過程破壞了原巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布。對于受到采動影響的巷道,其維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外,主要取決于采動影響。煤層開采以后,采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移,從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力,隨著工作面推進(jìn)而向前移動,如果受到兩側(cè)采動影響,超前支承壓力會在某些地方發(fā)生疊加,應(yīng)力增高系數(shù)可達(dá) 3～5,甚至更高。因此,研究超前支承壓力峰值位置及影響范圍,對確定合理的停采線位置及改善下山維護(hù)狀況具有重要作用[1]。

1 工程概況

晉城沁和能源永安煤礦主采煤層為 3號煤,埋深約 300m,平均厚約 6m。采用炮采工藝,分層開采,其中 3號煤上分層已全部采完,采高 2m,上分層停采線距材料下山 30m,下分層正在開采,采高 2m,放煤厚度約 2m。材料、膠帶、回風(fēng)下山均布置在煤層中,下山間留設(shè)煤柱均為 15m,其中回風(fēng)下山一側(cè)為五里廟煤礦采空區(qū),由于受到兩側(cè)超前支承壓力的疊加影響,導(dǎo)致下山圍巖穩(wěn)定性差,難以維護(hù),嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。下山布置位置關(guān)系如圖 1,工作面頂?shù)装逯鶢钊鐖D 2所示。

圖1 下山布置位置關(guān)系

2 超前支承壓力理論計算

2.1 塑性區(qū)超前支承壓力峰值的確定[1]

煤體的承載能力,隨著遠(yuǎn)離煤體邊緣而明顯增長。在距煤體邊緣一定寬度內(nèi),存在著煤體的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài),運用巖體的極限平衡理論,塑性區(qū)的寬度,即支承壓力峰值與煤體邊緣之間的距離 x0為：

圖2 工作面頂?shù)装逯鶢?/p>

上式中假定煤層內(nèi)摩擦角 φ為定值,得出 x0在同一煤層條件下只隨煤層厚度增大而增大。因此,工作面前方支承壓力峰值點隨著采高增大向煤體深處轉(zhuǎn)移。由式 (1)確定 x0=30m,說明支承壓力峰值在距煤體邊緣 30m左右。由于永安煤礦材料、膠帶、回風(fēng)下山受到兩側(cè)采動影響,在煤柱中央因長期處于塑性流動狀態(tài)而遭到了嚴(yán)重破壞。因此,為了避免下山處于高應(yīng)力影響范圍內(nèi),應(yīng)留設(shè)區(qū)段煤柱大于 30m。

2.2 彈性區(qū)超前支承壓力計算[2]

由式 (3)可得彈性區(qū)的范圍 x1=10～12m,隨著距煤壁距離增加,塑性區(qū)內(nèi)支承壓力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞增至支承壓力峰值;彈性區(qū)內(nèi)支承壓力呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減至原始支承壓力。由此可知,由于支承壓力疊加作用,應(yīng)力集中系數(shù)增大。

3 數(shù)值分析計算

3.1 數(shù)值模型

表1 數(shù)值模擬計算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

當(dāng)巷道不受采動影響時,圍巖中的壓力分布均勻,巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)一側(cè)受到支承壓力影響時,距離區(qū)段煤柱較近的巷道將受到較大影響,巷道圍巖應(yīng)力集中明顯加強。尤其是材料下山,高應(yīng)力將嚴(yán)重影響材料下山圍巖的穩(wěn)定。當(dāng)兩側(cè)受到超前支承壓力的影響時,由于壓力疊加等影響,應(yīng)力值不斷增大,影響范圍也不斷擴大,導(dǎo)致 3條下山圍巖破碎,難于維護(hù),同時,應(yīng)力還會向底板深部傳遞,在底板巖層一定范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布,造成下山底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。圖 3～圖 6為 60m,50m,40m,30m停采線下的超前支承壓力分布圖。

圖3 60m超前支承壓力分布

數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于工作面推進(jìn)引起的超前支承壓力將不斷向前移動并不斷增大,超前支承壓力在距離巷道 30m左右時達(dá)到峰值,當(dāng)工作面推進(jìn)距離材料下山 60m時,超前支承壓力峰值處于區(qū)段煤柱中部,巷道圍巖處于壓力降低區(qū)內(nèi),巷道維護(hù)較容易,當(dāng)工作面推進(jìn)距離材料下山小于50m時,由于應(yīng)力疊加等影響,超前支承壓力不斷增大,最大可達(dá)到 19.55MPa,巷道圍巖在此影響范圍之內(nèi)。由于巷道圍巖處于該支承壓力引起的高應(yīng)力區(qū)域,導(dǎo)致巷道難于維護(hù)。因此,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定停采線位置距材料下山應(yīng)大于 60m。

圖4 50m超前支承壓力分布

圖5 40m超前支承壓力分布

圖6 30m超前支承壓力分布

4 合理停采線位置的確定

工作面停采線位置的確定,應(yīng)保證下山處于超前支承壓力降低區(qū)內(nèi),由超前支承壓力峰值位置的理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果分析表明,考慮超挖、煤壁片幫等影響,應(yīng)留設(shè)區(qū)段煤柱 60m,即合理的停采線位置距離材料下山 60m。工程實踐表明,晉城沁和能源永安煤礦確定了合理的停采線位置后,下山避免了超前支承應(yīng)力疊加的影響,同時通過對 3條下山進(jìn)行注漿加固,圍巖承載能力得到很大提高,維護(hù)狀況得到改善,工程取得良好的效果。

5 結(jié)論

(1)通過理論計算,確定了超前支承壓力峰值位置為距離材料下山 30m處。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著工作面的不斷推進(jìn),超前支承壓力也不斷向前移動,而且超前支承壓力的疊加影響越來越大,應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到 3～3.5,同時,應(yīng)力還會向底板深部傳遞,在底板巖層一定范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布,當(dāng)工作面推進(jìn)距離材料下山 30m時,超前支承壓力峰值達(dá)到19.55MPa,下山維護(hù)極其困難。

(3)合理的停采線位置為距離材料下山 60m,工程實踐表明,下山維護(hù)取得了良好的效果。

[1]錢鳴高,石平五 .礦山壓力與巖層控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]魯 巖,樊勝強,鄒喜正 .工作面超前支承壓力分布規(guī)律[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2008(4).

[3]劉 波,韓彥輝 .FLAC原理、實例與應(yīng)用指南 [M].北京：人民交通出版社,2005.

Analysis of Influence of Advance Abutment Pressure on D ip and Rational End-m in ing L ine Selection

CHEN Ke,BA IJian-biao,HU Zhong-chao,ZHU Qi
(State KeyLaboratory of Coal Resource&SafetyMining,Mining Engineering College,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper applied theoretical calculation and numerical s imulation to analyzing distribution rules of abutment pressure of mining face and its influence on dip in Yong’an Colliery.Then it determined rational end-mining line to make good supporting effect for dip.

advanced abutment pressure;dip;numerical s imulation;end-mining line

TD323

A

1006-6225(2010)01-0035-03

2009-09-07

國家自然科學(xué)基金項目 (50774077,50574089);全國博士學(xué)位論文作者專項資金資助項目 (200760);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 (NCET-06-0475)

陳 科 (1982-),男,山西大同人,在讀碩士,從事礦山壓力及其控制方面的研究工作。

王興庫]