裕民煤礦綜采工作面超前支承壓力分布規律研究

賈國厚

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西 呂梁 033000）

裕民煤礦綜采工作面超前支承壓力分布規律研究

賈國厚1,2

（1.太原理工大學礦業工程學院，太原 030024；2.呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西 呂梁 033000）

為揭示工作面超前支承壓力分布規律，采用理論分析和數值模擬的方法，對裕民煤礦工作面支承壓力進行了分析，得出綜采工作面超前支承壓力分布變化規律，為回采巷道超前支護長度、強度等提供了理論依據。

綜采工作面；超前支承壓力；數值模擬

近年來隨著綜采技術在我國的迅速發展，頂板安全事故依舊嚴峻。綜采工作面的支承壓力分布是受各種條件影響的綜合結果。正是因為影響因素眾多，其中又有很多難以精確測定的因素，導致這一方面的研究十分困難。本文根據裕民煤礦的開采條件對其工作情況運用數值來進行模擬，從而得到超前支承壓力分布情況，為以后類似條件下的工作面開采提供技術支持。

1 工作面概況

裕民煤礦可采煤層為5號煤層，平均煤層厚度為5 m，埋深400 m，煤層平均傾角為5°～8°，采用綜合機械化開采方式。綜采工作面頂板為泥巖、泥質砂巖等較軟巖層，底板為砂巖等巖層?，F場實測資料表明綜采工作面超前支承壓力顯現明顯，應力集中系數大。

2 超前支承壓力的理論分析

2.1 塑性區內支承壓力計算

基于塑性理論，我們推導出極限情況下工作面上的壓力計算表達式，它的支承壓力如下式：

式中：f為層與層之間的摩擦因子；φ為其摩擦角，°；x為這個區域內任意一點至煤壁之間的距離，m；M為整個層厚,m；τ0cot φ為其支承壓力，MPa。

令σy=K·γ·H，支承壓力峰值點距煤壁的距離為x0:

式中：K為應力集中系數；H為煤層埋深，m；γ為上覆巖層容重，kg·m-3。

對于上述公式，如果煤層里面的摩擦角確定了，那么在這個前提下，它的值只會受煤層厚度的影響，兩者是正相關關系。因此，它的最高位置會因采高的變大而移向煤體深處。

2.2 彈性區內支承壓力計算

根據彈性理論，得出彈性區內支承力表達式：

式中：β為側壓系數。

設彈性區范圍為x1，當x=x0+x1時，σy=γ·H代入上式得

3 模型建立

3.1 力學模型建立

在簡化模型的基礎上，結合以往的經驗，為了模擬效果更加精確，取x軸長度為170 m，y軸長度為80 m，z軸高度為70 m。x為工作面水平徑向，y為工作面軸向方向，z方向為工作面垂向。整個工程是沿著y軸的方向進行開采的。在模型的頂部施加10 MPa的壓力用于模擬巖層的重力。其邊界條件可以看作是：水平方向有約束并且能夠垂直移動；底垂直方向有約束，能夠水平移動。各層均采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則。力學模型如圖1所示。各層圍巖力學參數如表1所示。

圖1 力學模型

表1 綜采工作面各層圍巖力學參數匯總表

3.2 模型網格劃分

工作面中心及附近的網格大小為每個0.5 m，模型外側網格大小為每個1.0 m。一共劃分了221 850個網格，節點個數為234 600個。x軸從10 m～160 m開挖，煤層走向沿著y軸方向，即工作面的推進方向沿著y軸，推進長度總計60 m，開采高度5 m。

4 模擬結果分析

4.1 工作面向前推進10 m

圖2為工作面向前推進10 m時的模擬結果。

圖2-a顯示了工作面推進10 m時，在x=35 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在2 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約為16.1 MPa，則此時工作面5 m至10 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖2-b顯示了工作面推進10 m時，在x=85 m處受到的應力狀態圖。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在2 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約為16.5 MPa，則此時工作面5 m至10 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖2-c顯示了工作面推進10 m時，在x=140 m處受到的應力狀態圖。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在2 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約為16.1 MPa，則此時工作面5 m至10 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

從工作面推進10 m時，在x=35 m、85 m、140 m的位置處得到它們的垂直應力云圖，可以看出在x軸方向上其垂直應力是對稱且均勻分布的。并且在整個工作面的中心位置，其應力最大。超前支承壓力在x軸方向無明顯變化。

圖2 工作面推進10 m時垂直壓力分布

4.2 工作面向前推進30 m

圖3為工作面向前推進30 m時的模擬結果。

圖3-a顯示了工作面推進30 m時，在x=35 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在5 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約為24.8 MPa，則此時工作面5 m至10 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖3-b顯示了工作面推進30 m時，在x=85 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在5 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約為27.5 MPa，則此時工作面5 m至8 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖3-c顯示了工作面推進30 m時，在x=140 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在5 m至15 m之間。在垂直方向上最大應力約在24.8 MPa，則此時工作面5 m至10 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖3 工作面推進35 m時垂直壓力分布

從工作面推進30 m時，在x=35 m、85 m、140 m的位置處得到它們的應力云圖，可以看出在x軸方向上其垂直應力是對稱且均勻分布的。并且在整個工作面的中心位置，其應力最大。超前支承力在水平方向上沒有明顯的變化。

4.3 工作面向前推進50 m

圖4為工作面向前推進50 m時的模擬結果。

圖4-a顯示了工作面推進50 m時，在x=35 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在10 m至25 m之間。在垂直方向上最大應力約為38 MPa，則此時工作面5 m至15 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖4-b顯示了工作面推進50 m時，在x=85 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在10 m至25 m之間。在垂直方向上最大應力約為45.6 MPa，則此時工作面5 m至15 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖4-c顯示了工作面推進50 m時，在x=140 m處受到的應力狀態。如果煤層位于工作面的前方位置，那么集中區范圍大約在10 m至25 m之間。在垂直方向上最大應力約為38 MPa，則此時工作面5 m至15 m處的煤層應力是最大的。頂部及其上面的巖層中受到垂直應力和它與工作面之間距離成正相關關系。

圖4 工作面推進50 m時垂直壓力分布

通過分析對比工作面先前推進50 m時，x為35 m、85 m和140 m處垂直方向的應力云圖可以得到：工作面沿著x軸方向垂直應力分布對稱，在工作面中心線處垂直應力與兩幫相差大。超前支承壓力在x軸方向無明顯變化。

5 結論

1）對于綜采工作面上受到的支承壓力集中區，通常是它前方5 m～20 m，上下5 m的位置，若應力峰值出現在前方10 m～15 m位置處的煤層時，其峰值系數能夠達到3～5。

2）若工作面繼續向前推進，那么工作面受到的支撐力會變大，應力出現的區域也將變大。通過上面的實驗可知，在工作面推進10 m、30 m、50 m時，其頂板受到垂直方向上的應力值分別達到了16.6 MPa、27.5 MPa、45.6 MPa。在工作面的寬度方向，垂直應力基本相等。

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（編輯：楊 鵬）

Distribution of Advanced Abutment Pressure of Fully-mechanized Mining Face in Yumin Mine

JIA Guohou1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;
(2.Lvliang Ventilation and Gas Control Center of Mines,Lvliang 033000,China)

To reveal the distribution of advanced abutment pressure,theoretical analysis and numerical simulation are used to study the advanced abutment pressure of Yumin mine and then conclude the distribution variation,which could provide theoretical evidence for the calculation of the length and strength ofthe advanced abutment.

fully-mechanized miningface;advanced abutment pressure;numerical simulation

TD323

A

1672-5050（2016）04-050-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.014

2016-04-19

賈國厚(1983-)，男，山西呂梁人，在讀工程碩士，工程師，從事煤礦通風與瓦斯防治工作。