大采高采場超前支承壓力分布規律研究

2021-07-09 02:02:50張宇

山西能源學院學報 2021年2期

張宇

【摘要】大采高工作面在開采時易導致煤壁產生失穩片幫現象，對工作面安全生產產生重要影響。文章根據某礦大采高工作面實際開采情況，利用FLAC3D數值模擬軟件建立數值模型，研究大采高工作面開采超前支承壓力分布特征。研究表明：1）通過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力增大區、應力減小區和原巖應力區;3）工作面前方的支承壓力分布范圍為30～36m，峰值應力點為5.8m～8.8m。研究成果可為大采高煤礦的安全生產提供理論依據。

【關鍵詞】大采高;超前支承壓力;分布規律;數值模擬

【中圖分類號】 TD326 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0004-03

由于工作面采高的增大，工作面周圍的應力水平與普通采高相比有著很大的變化。近年來，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展，采礦壓力、頂板控制和超負荷具有了不一樣的新特征。大采高工作面超前支承壓力大，導致工作面前方煤體裂隙發育，是造成煤壁片幫進而引發冒頂的主要原因。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。

國內許多專家對應力分布規律進行了大量的研究。王成威將FLAC3D的數值模擬并結合現場監測鉆孔應力計以獲得峰值、應力的影響距離以及峰值的位置，且數值模擬軟件的結果與現場數值較為吻合。孫少龍等發現隨著工作面的不斷推進，不同開采高度和不同開采深度，超前支承壓力的應力集中系數不同，并分析其規律、其峰值。安寧等以某礦31113工作面為研究背景，對該工作面不同推進深度采場應力變化進行數值模擬分析。以上專家對工作面開采應力分布特征進行了大量的研究，但對大采高開采超前支承壓力分布特征鮮有報道。本文以某礦大采高工作面為研究背景，采用FLAC3D數值模擬軟件研究大采高工作面開采過程中超前支承壓力變化規律。研究成果可為類似條件下煤礦開采提供一定的理論依據。

1工程背景

某礦工作面的走向長度為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。煤層有黑色細條狀結構，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表1。

2支承壓力分布規律的計算

根據極限平衡理論：

經過上述理論計算，工作面前的峰值距離為8.3m。

3數值模擬結果分析

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

針對模型開挖后，應用軟件對模型在垂直方向、距工作面20米處進行切片處理得到應力云圖（圖2）、應力分布曲線（圖3）。

如圖2所示，當工作面推進到20m時，工作面前方出現應力集中。如圖3所示，在5.8m時達到8.8Mpa峰值應力。然后，在距工作面的5.8m直至30m處應力逐漸變低，并且逐漸趨于穩定，穩定時的應力比原始巖石應力值高5%。

針對模型開挖后，應用軟件對模型在垂直方向、距工作面80米處進行切片處理得到應力云圖（圖4）、應力分布曲線（圖5）。如圖4所示，當工作面推進到80m時，應力峰值將會在前方集中。如圖5所示，在8.1m時達到7.7MPa峰值應力。然后，在距工作面的8.1m直至35m處應力逐漸變低，并且逐漸趨于穩定，穩定時的應力比原始巖石應力值高5%。

針對模型開挖后，應用軟件對模型在垂直方向、距工作面120米處進行切片處置得到應力云圖（圖6）及應力分布曲線（圖7）。如圖6所示，當工作面推進到120m時，應力峰值將會在前方集中。如圖7所示，在8.3m時達到8.1MPa峰值應力。然后，在距工作面的8.3m直至40m處應力逐漸變低，并且逐漸趨于穩定，穩定時的應力比原始巖石應力值高5.22%。

由圖2、圖4、圖6應力分布云圖可知，隨著工作面的不斷向前推進，工作面兩端由于采動影響產生的應力區域以及應力峰值發生變化，而應力峰值隨著工作面不斷推進峰值逐漸增加。在工作面頂底板區域出現應力釋放現象，推進步距不同，應力釋放的范圍不同。在煤壁中部區域出現彈性核，應力集中比較明顯，約在距煤壁8m。支承壓力分布規律明顯，在走向方向表現為應力減小區、應力增加區以及應力穩定區域。

支承壓力在推進距離不同時的比較，如圖8所示。從推進60m時峰值為7.4MPa，到推進到140m時峰值為8.3MPa，而且峰值出現的位置也越來越靠后，最終支承壓力都在采場前五十米左右趨于穩定值。

4結論

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

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

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

【參考文獻】

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