裕民煤礦綜采工作面超前支承壓力分布規(guī)律研究

賈國厚

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.呂梁市煤礦通風(fēng)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(guī)律研究

賈國厚1,2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.呂梁市煤礦通風(fēng)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(guī)律，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)裕民煤礦工作面支承壓力進(jìn)行了分析，得出綜采工作面超前支承壓力分布變化規(guī)律，為回采巷道超前支護(hù)長度、強(qiáng)度等提供了理論依據(jù)。

綜采工作面；超前支承壓力；數(shù)值模擬

近年來隨著綜采技術(shù)在我國的迅速發(fā)展，頂板安全事故依舊嚴(yán)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(jié)果。正是因?yàn)橛绊懸蛩乇姸啵渲杏钟泻芏嚯y以精確測定的因素，導(dǎo)致這一方面的研究十分困難。本文根據(jù)裕民煤礦的開采條件對(duì)其工作情況運(yùn)用數(shù)值來進(jìn)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(shù)支持。

1 工作面概況

裕民煤礦可采煤層為5號(hào)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(jī)械化開采方式。綜采工作面頂板為泥巖、泥質(zhì)砂巖等較軟巖層，底板為砂巖等巖層。現(xiàn)場實(shí)測資料表明綜采工作面超前支承壓力顯現(xiàn)明顯，應(yīng)力集中系數(shù)大。

2 超前支承壓力的理論分析

2.1 塑性區(qū)內(nèi)支承壓力計(jì)算

基于塑性理論，我們推導(dǎo)出極限情況下工作面上的壓力計(jì)算表達(dá)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(gè)區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)至煤壁之間的距離，m；M為整個(gè)層厚,m；τ0cot φ為其支承壓力，MPa。

令σy=K·γ·H，支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁的距離為x0:

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；H為煤層埋深，m；γ為上覆巖層容重，kg·m-3。

對(duì)于上述公式，如果煤層里面的摩擦角確定了，那么在這個(gè)前提下，它的值只會(huì)受煤層厚度的影響，兩者是正相關(guān)關(guān)系。因此，它的最高位置會(huì)因采高的變大而移向煤體深處。

2.2 彈性區(qū)內(nèi)支承壓力計(jì)算

根據(jù)彈性理論，得出彈性區(qū)內(nèi)支承力表達(dá)式：

式中：β為側(cè)壓系數(shù)。

設(shè)彈性區(qū)范圍為x1，當(dāng)x=x0+x1時(shí)，σy=γ·H代入上式得

3 模型建立

3.1 力學(xué)模型建立

在簡化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，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?yàn)楣ぷ髅娲瓜?。整個(gè)工程是沿著y軸的方向進(jìn)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(dòng)；底垂直方向有約束，能夠水平移動(dòng)。各層均采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。力學(xué)模型如圖1所示。各層圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 力學(xué)模型

表1 綜采工作面各層圍巖力學(xué)參數(shù)匯總表

3.2 模型網(wǎng)格劃分

工作面中心及附近的網(wǎng)格大小為每個(gè)0.5 m，模型外側(cè)網(wǎng)格大小為每個(gè)1.0 m。一共劃分了221 850個(gè)網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為234 600個(gè)。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(jìn)方向沿著y軸，推進(jìn)長度總計(jì)60 m，開采高度5 m。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 工作面向前推進(jìn)10 m

圖2為工作面向前推進(jìn)10 m時(shí)的模擬結(jié)果。

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

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

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

從工作面推進(jìn)10 m時(shí)，在x=35 m、85 m、140 m的位置處得到它們的垂直應(yīng)力云圖，可以看出在x軸方向上其垂直應(yīng)力是對(duì)稱且均勻分布的。并且在整個(gè)工作面的中心位置，其應(yīng)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(jìn)10 m時(shí)垂直壓力分布

4.2 工作面向前推進(jìn)30 m

圖3為工作面向前推進(jìn)30 m時(shí)的模擬結(jié)果。

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

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

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

圖3 工作面推進(jìn)35 m時(shí)垂直壓力分布

從工作面推進(jìn)30 m時(shí)，在x=35 m、85 m、140 m的位置處得到它們的應(yīng)力云圖，可以看出在x軸方向上其垂直應(yīng)力是對(duì)稱且均勻分布的。并且在整個(gè)工作面的中心位置，其應(yīng)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(jìn)50 m

圖4為工作面向前推進(jìn)50 m時(shí)的模擬結(jié)果。

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

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

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

圖4 工作面推進(jìn)50 m時(shí)垂直壓力分布

通過分析對(duì)比工作面先前推進(jìn)50 m時(shí)，x為35 m、85 m和140 m處垂直方向的應(yīng)力云圖可以得到：工作面沿著x軸方向垂直應(yīng)力分布對(duì)稱，在工作面中心線處垂直應(yīng)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(jié)論

1）對(duì)于綜采工作面上受到的支承壓力集中區(qū)，通常是它前方5 m～20 m，上下5 m的位置，若應(yīng)力峰值出現(xiàn)在前方10 m～15 m位置處的煤層時(shí)，其峰值系數(shù)能夠達(dá)到3～5。

2）若工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，那么工作面受到的支撐力會(huì)變大，應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域也將變大。通過上面的實(shí)驗(yàn)可知，在工作面推進(jìn)10 m、30 m、50 m時(shí)，其頂板受到垂直方向上的應(yīng)力值分別達(dá)到了16.6 MPa、27.5 MPa、45.6 MPa。在工作面的寬度方向，垂直應(yīng)力基本相等。

[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]付玉平，宋選民，邢平偉，等.淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律的模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,37（3）：366-371.

[3] 陳蘇社.特殊地質(zhì)條件下綜采工作面頂板控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014,42（2）：124-128.

[4]伊曾德.采動(dòng)覆巖破壞特征及其應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2007.

[5] 司榮軍.采場圍巖控制理論與實(shí)踐綜述及展望[J].礦業(yè)工程,2006,4(4)：26-28.

[6]蔡光順.中興礦極近距離煤層開采巷道布置及支護(hù)技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

（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(fēng)與瓦斯防治工作。