大采高采場(chǎng)超前支承壓力分布規(guī)律研究

張宇

【摘 要】 大采高工作面在開(kāi)采時(shí)易導(dǎo)致煤壁產(chǎn)生失穩(wěn)片幫現(xiàn)象，對(duì)工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。文章根據(jù)某礦大采高工作面實(shí)際開(kāi)采情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，研究大采高工作面開(kāi)采超前支承壓力分布特征。研究表明：1）通過(guò)理論分析得到超前支承壓力峰值距離為8.3 m;2）工作面前方可分為應(yīng)力增大區(qū)、應(yīng)力減小區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū);3）工作面前方的支承壓力分布范圍為30～36m，峰值應(yīng)力點(diǎn)為5.8m～8.8m。研究成果可為大采高煤礦的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 大采高;超前支承壓力;分布規(guī)律;數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】 TD326 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）02-0004-03

由于工作面采高的增大，工作面周圍的應(yīng)力水平與普通采高相比有著很大的變化。近年來(lái)，采礦的高度也增加了，并且由于采礦后承受壓力所需的平衡巖壁的發(fā)展，采礦壓力、頂板控制和超負(fù)荷具有了不一樣的新特征。大采高工作面超前支承壓力大，導(dǎo)致工作面前方煤體裂隙發(fā)育，是造成煤壁片幫進(jìn)而引發(fā)冒頂?shù)闹饕?。因此，如何保障大采高情況下采煤工作面安全高效開(kāi)采成為迫在眉睫的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)許多專家對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。王成威將FLAC3D的數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)鉆孔應(yīng)力計(jì)以獲得峰值、應(yīng)力的影響距離以及峰值的位置，且數(shù)值模擬軟件的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值較為吻合。孫少龍等發(fā)現(xiàn)隨著工作面的不斷推進(jìn)，不同開(kāi)采高度和不同開(kāi)采深度，超前支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)不同，并分析其規(guī)律、其峰值。安寧等以某礦31113工作面為研究背景，對(duì)該工作面不同推進(jìn)深度采場(chǎng)應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。以上專家對(duì)工作面開(kāi)采應(yīng)力分布特征進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)大采高開(kāi)采超前支承壓力分布特征鮮有報(bào)道。本文以某礦大采高工作面為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究大采高工作面開(kāi)采過(guò)程中超前支承壓力變化規(guī)律。研究成果可為類似條件下煤礦開(kāi)采提供一定的理論依據(jù)。

1工程背景

某礦工作面的走向長(zhǎng)度為2084m，采煤工藝為以此采全高，平均采高為5.0m。埋深為163.9～273.9m。煤層有黑色細(xì)條狀結(jié)構(gòu)，主要是深色煤球，然后是深色煤，有金屬光澤。煤層附近巖層情況見(jiàn)表1。

2支承壓力分布規(guī)律的計(jì)算

根據(jù)極限平衡理論：

經(jīng)過(guò)上述理論計(jì)算，工作面前的峰值距離為8.3m。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

按照所設(shè)定的模型巖層、巖層物理系數(shù)以及走向分布等創(chuàng)建模型后，得到應(yīng)力云圖（如圖1）。

針對(duì)模型開(kāi)挖后，應(yīng)用軟件對(duì)模型在垂直方向、距工作面20米處進(jìn)行切片處理得到應(yīng)力云圖（圖2）、應(yīng)力分布曲線（圖3）。

如圖2所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到20m時(shí)，工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力集中。如圖3所示，在5.8m時(shí)達(dá)到8.8Mpa峰值應(yīng)力。然后，在距工作面的5.8m直至30m處應(yīng)力逐漸變低，并且逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力比原始巖石應(yīng)力值高5%。

針對(duì)模型開(kāi)挖后，應(yīng)用軟件對(duì)模型在垂直方向、距工作面80米處進(jìn)行切片處理得到應(yīng)力云圖（圖4）、應(yīng)力分布曲線（圖5）。如圖4所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí)，應(yīng)力峰值將會(huì)在前方集中。如圖5所示，在8.1m時(shí)達(dá)到7.7MPa峰值應(yīng)力。然后，在距工作面的8.1m直至35m處應(yīng)力逐漸變低，并且逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力比原始巖石應(yīng)力值高5%。

針對(duì)模型開(kāi)挖后，應(yīng)用軟件對(duì)模型在垂直方向、距工作面120米處進(jìn)行切片處置得到應(yīng)力云圖（圖6）及應(yīng)力分布曲線（圖7）。如圖6所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，應(yīng)力峰值將會(huì)在前方集中。如圖7所示，在8.3m時(shí)達(dá)到8.1MPa峰值應(yīng)力。然后，在距工作面的8.3m直至40m處應(yīng)力逐漸變低，并且逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力比原始巖石應(yīng)力值高5.22%。

由圖2、圖4、圖6應(yīng)力分布云圖可知，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，工作面兩端由于采動(dòng)影響產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域以及應(yīng)力峰值發(fā)生變化，而應(yīng)力峰值隨著工作面不斷推進(jìn)峰值逐漸增加。在工作面頂?shù)装鍏^(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象，推進(jìn)步距不同，應(yīng)力釋放的范圍不同。在煤壁中部區(qū)域出現(xiàn)彈性核，應(yīng)力集中比較明顯，約在距煤壁8m。支承壓力分布規(guī)律明顯，在走向方向表現(xiàn)為應(yīng)力減小區(qū)、應(yīng)力增加區(qū)以及應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域。

支承壓力在推進(jìn)距離不同時(shí)的比較，如圖8所示。從推進(jìn)60m時(shí)峰值為7.4MPa，到推進(jìn)到140m時(shí)峰值為8.3MPa，而且峰值出現(xiàn)的位置也越來(lái)越靠后，最終支承壓力都在采場(chǎng)前五十米左右趨于穩(wěn)定值。

4結(jié)論

通過(guò)極限平衡理論推導(dǎo)得到大采高工作面開(kāi)采超前支承壓力峰值距離煤壁的距離為8.3m。

煤層開(kāi)挖后，工作面前方可分為應(yīng)力增大區(qū)、應(yīng)力減小區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。超前支承壓力沿工作表面的行進(jìn)方向急劇上升，然后逐漸回落到原始的巖石應(yīng)力。

通過(guò)模擬所得到的工作面前方峰值應(yīng)力值逐漸增大，峰值位置逐漸向前移動(dòng)，且回落的應(yīng)力值也相應(yīng)有增大的趨勢(shì)。工作面前方的支承壓力分布范圍為30～36m，峰值應(yīng)力點(diǎn)為5.8m～8.8m。

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