深井不同采高圍巖應力演化規律研究

王文全

【摘 要】 文章以山東某礦深井工作面為工程背景，運用數值模擬軟件對千米深井不同采高下應力分布規律進行研究，通過對工作面超前支承壓力峰值、推進影響范圍和煤層圍巖破壞等方面的分析，得出結論：深井開采過程中，煤壁前方支承壓力峰值和壓力影響范圍與推進距離呈正相關，在采高不同的情況下，工作面推進距離相同時，超前支承壓力峰值隨采高的增加而增大，工作面圍巖的破壞隨采空區的增大破壞范圍增大。研究成果對深井工作面安全開采具有一定的指導意義。

【關鍵詞】 深井;不同采高;支承壓力;數值模擬

【中圖分類號】 TD322 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0007-03

國內外廣大科技工作者對不同地質條件下的巷道圍巖進行了大量的研究，但對深井不同采高下工作面開采應力變化特征鮮有研究。因此，采用FLAC數值模擬軟件模擬研究千米深井在不同采高下圍巖應力的分布規律具有重要的現實意義，可以為深部煤炭資源的安全高效開采提供有益的參考。

1工程概況及研究方法

1.1工程概況

以山東某煤礦深井工作面為例，其煤層厚度為3～5m，硬度2～3，傾角平均5°，以亮煤為主，暗煤次之，成條帶狀分布。工作面寬120m，直接頂和直接底均為泥巖，采用一次采全高開采。

1.2研究方法

根據上述地質概況，使用FLAC數值模擬軟件進行模擬。模型尺寸長×寬×高=320m×260m×66.7m，模擬埋深1100m，頂部施加25.8Mpa的均布垂直應力，模型頂部為自由面，底部邊界固定，左右分別施加水平約束，煤層以及頂底板數值按表1進行模擬。在煤層厚度不同的情況下，分別對采高3m、4m和5m的工作面進行研究，其余巖層及厚度均相同。為了消除模型的邊界效應，在工作面左右各留100m煤柱，前后各留50m煤柱，工作面寬度為120m。模型如圖1所示。

模型開挖完成后，對模型在每推進一次后的煤壁前方做應力分析，研究超前支承壓力隨推進距離的變化、每次推進在煤壁前方應力影響的范圍和煤層圍巖塑性區分布變化。分別對采高為3m、4m和5m的模型進行研究與比較（見表1）。

2模擬結果與分析

2.1采高為5m時沿掘進方向應力分析

采高為5m時，在工作面第一次開挖20m后，煤壁前方支承壓力峰值為33.36MPa，并在煤壁前方60m處應力為26.75MPa，接近原巖應力;工作面推進到40m時，煤壁前方支承壓力峰值增大，達到42.09MPa，在煤壁前方60m處應力為26.73MPa，接近原巖應力。隨著工作面的持續推進，在達到總推進距離中值80m處時，工作面超前支承壓力峰值為58.05MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.25MPa;當工作面推進至120m，此時工作面長寬相等，超前支承壓力峰值達到67.39MPa。可見，在工作面見方前，超前支承壓力峰值隨推進距離的增加增長較快。如圖1列舉了推進不同距離時支承壓力變化及開挖后應力影響的范圍。

由圖2可見采高5m推進距離為40m、80m、120m時工作面超前支承壓力的分布。在工作面推進距離為40m時，工作面超前支承壓力在推進方向達到最大且影響范圍較大;當工作面推進到80m時，超前支承壓力的影響較40m時在工作面傾向影響范圍變大且應力值變大;當工作面推進到120m時，支承壓力在工作面傾向明顯變大，且在傾向峰值大于走向峰值。

綜合圖2可看出，支承壓力在工作面四周分布隨推進距離的增大變化明顯。

2.2采高為4m時沿掘進方向應力分析

如圖3可以看出，采高為4m時，煤壁前方支承壓力的峰值隨推進距離的增大而增大。工作面推進40m時，煤壁前方支承壓力峰值為41.82MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.68MPa，接近原巖應力;工作面推進到80m時，超前支承壓力峰值達到57.75MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.12MPa，接近原巖應力。在工作面見方時，超前工作面支承壓力峰值達到67.22MPa，此后沿掘進方向工作面超前支承壓力峰值增長速度減慢。

如圖4所示，工作面四周支承壓力隨推進距離的增大而增大，當工作面推進距離小于工作面傾向長度時，沿掘進方向工作面超前支承壓力較大。隨著工作面推進距離的增大，工作面傾向支承壓力的增大明顯大于工作面走向的超前支承壓力。

2.3采高為3m時沿掘進方向應力分析

采高為3m推進不同距離超前工作面支承壓力變化如圖5，其變化趨勢與圖1、圖3相同。當工作面推進到20m時，超前支承壓力峰值為32.8MPa，在煤壁前方60m處壓力為26.67MPa，接近原巖應力;工作面推進到40m，煤壁前方支承壓力峰值為41.57MPa，在煤壁前方60m處應力為26.6MPa;工作面推進到80m時，煤壁前方支承壓力峰值達到57.45MPa，在煤壁前方60m處應力接近原巖應力，為26.22MPa;當工作面推進到120m時，煤壁前方支承壓力峰值為66.97MPa，在煤壁前方60m處為25.4MPa，接近原巖應力。由圖可知，工作面超前支承壓力峰值在煤壁前方10～20m內出現，約為12m處，煤壁前方60m左右支承壓力接近原巖應力。

如圖6所示，3m采高支承壓力切片圖與采高為4m和5m時相似，煤壁前方支承壓力峰值隨采空區的增大而增大，而煤壁前方支承壓力峰值的位置和接近原巖應力時的位置隨采空區的增大并沒有發生明顯的改變。

2.4不同采高應力峰值比較

由圖7可知，在千米深井相同采高的情況下，超前支承壓力峰值與推進距離呈正相關，即超前支承壓力峰值隨推進距離的增加不斷增大;在千米深井不同采高的情況下，超前支承壓力峰值與開采高度呈正相關，即超前支撐壓力峰值隨開采高度的增加而增大。推進距離為120m時，即工作面傾向與走向長度相等時超前支承壓力峰值較大，容易引發沖擊地壓等動力災害。

3結論

煤層開采后，煤壁前方支承壓力的變化趨勢：先增大后減小，最后達到原巖應力，曲線變化較為平緩。

深井開采過程中，煤壁前方支承壓力與工作面推進距離呈正相關，即超前支承壓力隨工作面推進距離的增加而增大，并在工作面走向與傾向長度相等時達到最大值。應力變化分布以采空區中部為軸，呈對稱分布。

在采高不同的情況下，工作面推進距離相同時，煤壁前方支承壓力和影響范圍與開采高度呈正相關，即超前支承壓力隨采高的增加而增大。

與淺井開采相比，深井開采具有較高的應力值，應力作用明顯，易引發動力災害。

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