大采高工作面超前支承應(yīng)力分布特征分析

姚鵬飛

【摘 要】 大采高工作面在開采時(shí)易導(dǎo)致巷道難支護(hù)、煤壁片幫現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。本文根據(jù)某礦8.5m大采高工作面實(shí)際開采情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，研究大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中超前支承應(yīng)力分布特征。研究表明：1）煤壁前方劃分為塑性變形區(qū)、彈性應(yīng)力變形區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，且工作面超前支承應(yīng)力影響范圍為50m，峰值介于9～9.7MPa;2）隨著工作面的不斷演化，應(yīng)力峰值前移，應(yīng)力集中程度上升，最大值的位置隨著其不斷推進(jìn)發(fā)生向前移動(dòng)的現(xiàn)象。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;應(yīng)力分布;數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】 TD323 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）03-0006-03

由于大采高工作面采高的增大，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)，隨著煤礦開采工作面高度的增加，采場(chǎng)壓力劇烈顯現(xiàn)、頂板控制難度增加，與正常工作面開采相比表現(xiàn)特征不同。且大采高工作面超前支承應(yīng)力大，導(dǎo)致工作面前方煤體裂隙發(fā)育，造成煤壁片幫，進(jìn)而引發(fā)冒頂。因此，如何保障大采高情況下采煤工作面安全高效開采成為迫在眉睫的問題。

國(guó)內(nèi)許多專家對(duì)工作面開采中支承應(yīng)力分布規(guī)律做了大量的研究。武泉森研究得出：工作面超前移動(dòng)支承應(yīng)力區(qū)的影響范圍為工作面前方35m，最大值位置位于工作面前方20～25m處。但是在超前支承應(yīng)力的范圍內(nèi)，直接頂與基本頂之間產(chǎn)生二層，這表示支柱載荷增大、錨桿受力也增加，為了增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性，單體液壓支柱初承力要大于8MPa。陳軼平文中指出工作面超前支承應(yīng)力大約在工作面前方35m左右位置，回采工作面前方煤體處于應(yīng)力升高區(qū)，頂、底板支承應(yīng)力顯現(xiàn)相似。在數(shù)值模擬過(guò)程中，最初開采工作面的超前支承應(yīng)力最大值為25MPa，超前支承應(yīng)力最高值實(shí)際測(cè)量22.3MPa。應(yīng)力峰值的實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)比模擬軟件得出的小一些，但相差并不大。對(duì)首采工作面超前支承應(yīng)力分布研究，為該礦類似條件下工作面兩巷的超前支護(hù)提供了技術(shù)參考依據(jù)。以上專家對(duì)工作面開采超前支承應(yīng)力分布特征進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)大采高工作面開采過(guò)程中應(yīng)力分布特征研究較少。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采過(guò)程中超前支承應(yīng)力變化規(guī)律，為類似條件下開采提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1工程背景

某礦煤層的平均厚度在8m左右。煤的質(zhì)量狀況：顏色為黑色，主要以亮煤為主，有著玻璃光澤，性質(zhì)較脆，含硫低，發(fā)熱量高的比較優(yōu)質(zhì)的無(wú)煙煤。煤礦埋深270m，煤層的直接頂為厚度在12m左右的細(xì)砂巖，再往上依次為：粉砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖。厚度分別為7m、16m、13m、6m、9m、10m。煤層的直接底為厚度14m左右的粗砂巖，再往下是厚度25m的粗砂巖。

2數(shù)值模型建立

此模型的尺寸為300m（長(zhǎng)）×200m（寬）×120m（高），劃分單元格尺寸60×40×24的數(shù)學(xué)模型，共分為57600個(gè)單元格。模型的巖層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)如表1。模型頂部施加3.75MP的垂直應(yīng)力。煤層邊界的x軸方向和y軸方向分別各預(yù)留出80m左右和75m左右的煤柱。

3模擬結(jié)果分析

3.1工作面前方支承應(yīng)力云圖分布特征

把研究工作面的支承應(yīng)力分布的特征作為目的，模擬工作面推進(jìn)不同距離分別為20m、60m、80m、100m、140m時(shí)支承應(yīng)力的分布。結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，工作面應(yīng)力值隨著開挖而重新分配。同時(shí)，工作面推進(jìn)引起工作面前后支承應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，也有非常容易檢測(cè)到的應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，應(yīng)力的最大值、最大值點(diǎn)逐漸增加，支承應(yīng)力的影響范圍也在漸漸變大，但是當(dāng)工作面推進(jìn)了80m后最大值變化較小，變化可以忽略，會(huì)保持在8MPa左右，同時(shí)底板的應(yīng)力變化并不是很大。

3.2工作面前方支承應(yīng)力變化趨勢(shì)

從圖2可知，工作面推進(jìn)了20m時(shí)，前方形成了應(yīng)力集中，在距離工作面1m處到達(dá)了峰值為7.43MPa左右，此后，支承應(yīng)力會(huì)慢慢下降，到工作面前方50m處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖3可以分析出，當(dāng)工作面推進(jìn)了80m時(shí)，與之前一樣工作面前方同樣也形成了應(yīng)力集中，在距離工作面1m處達(dá)到了最大值9.37MPa之后便出現(xiàn)先減小再穩(wěn)定的現(xiàn)象。

從圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)了140m時(shí)，前方形成了應(yīng)力集中，同時(shí)在距離工作面1米處達(dá)到了峰值9.65MPa，然后支承應(yīng)力慢慢降低，直到工作面前方50m處趨于穩(wěn)定狀態(tài)，就可以判斷出應(yīng)力影響范圍。

經(jīng)過(guò)研究表明，工作面的前方煤體從近到遠(yuǎn)可以劃分為3個(gè)區(qū)域：塑性變形區(qū)、彈性應(yīng)力變形區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。分別把超前支承應(yīng)力和推進(jìn)距離的值作為y軸和x軸，建立坐標(biāo)，我們就可以得到如圖5各推進(jìn)距離支承應(yīng)力變化曲線，分析圖5可知，雖然應(yīng)力的最大值與位置出現(xiàn)不同，但規(guī)律相似，工作面前方塑性區(qū)的范圍為6.7-12.5m，平均8.9m。應(yīng)力的影響范圍為0～50m左右，它的最大值在9-9.7MPa之內(nèi)，平均9.4MPa。伴隨著工作面不斷地向前推進(jìn)，工作面的支承應(yīng)力最大值的位置發(fā)生了前移的現(xiàn)象。

4結(jié)論

工作面的全部煤層結(jié)構(gòu)可劃分為：塑性變形區(qū)、彈性應(yīng)力變形區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。采用FLAC3D軟件模擬工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)應(yīng)力的變化，我們得到了應(yīng)力隨著距工作面的距離增加而升高，并且隨著開挖工作面的不斷向前推進(jìn)，支承應(yīng)力呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。同時(shí)得出工作面超前支承應(yīng)力的影響范圍不超過(guò)50m。其最大值介于9～9.7MPa，平均9.4MPa。

通過(guò)數(shù)值模擬得出工作面的應(yīng)力的最大值大約在9.6MPa左右，實(shí)際測(cè)得超前支承應(yīng)力的峰值平均為9MPa左右，兩者相差并不多。

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