數(shù)值模擬研究首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

王存海

（神華寧夏煤業(yè)集團金能煤業(yè)分公司生產(chǎn)技術(shù)科，寧夏 石嘴山 750004）

1 地質(zhì)概況

某工作面開采煤層為13-1煤層，總厚2.37～3.75m，平均2.88m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。直接頂為砂質(zhì)泥巖、13-2煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖等，局部為細砂巖，平均厚度為6.4m。老頂為砂質(zhì)泥巖、中砂巖，厚度2.5～3.1m，平均厚度2.7m；直接底泥巖，厚度 3.57～4.85m，平均厚度 4.15m；老底為粉砂巖，厚度 2.55～3.7m，平均厚度3.05m。工作面推進長度2122m，工作面長度為203m，工作面沿俯斜推進，東高西低，傾向SW，其煤層底板標高為-579～-729m，地面標高為+21.9～+22.5m。13-1煤層平緩，煤層傾角 0°～17°，平均 7°，距切眼 500m范圍內(nèi)傾角較大9～17°，平均11°左右。1141（3）工作面西至13-1煤采區(qū)大巷，東至13-1防水煤柱線，南鄰F161斷層，該工作面周圍均為未采區(qū)。工作面兩巷均采用矩形斷面，錨網(wǎng)支護，斷面凈寬×凈高=5.0m×3.0m。特殊地段采用架棚、增設(shè)點柱等辦法加強支護。架棚支護參數(shù)：半圓拱斷面，29U鋼棚，棚距600mm，寬×高=5.2m×4.05m。

2 模型建立

數(shù)值模型共有64375個單元格，模型總高度為98.4m，長度為300m，寬度為300m。模型上部邊界是應(yīng)力邊界條件，其余邊界是位移邊界條件，模擬煤層傾角為7°，工作面沿俯斜推進，模擬工作面平均采深為645.5m，工作面上覆巖層平均容重取24KN/m3，模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

3 計算結(jié)果分析

回采工作面從開切眼推進到初次來壓前，可以把整個采空區(qū)近似地視為一個橢圓，根據(jù)圓形孔兩側(cè)的支承壓力分布，可以推理沿工作面推進方向的煤層內(nèi)形成支承壓力。在煤層內(nèi)根據(jù)切向應(yīng)力的大小，可將其劃分為三個區(qū)域，其一為減壓區(qū)B，即切向應(yīng)力比原始垂直應(yīng)力 要小的區(qū)域；其二為增壓區(qū)A，即比原始垂直應(yīng)力 要大的區(qū)域，一般可以取高于原始垂直應(yīng)力的5%作為分界處；其三為穩(wěn)壓區(qū)C，即切向應(yīng)力恢復(fù)到 的區(qū)域。在支承壓力區(qū)內(nèi)的煤層，由于承受強大的應(yīng)力，積聚大量的彈性變形能，當工作面的推進或在支承壓力區(qū)開掘巷道，則這些彈性能將全部釋放出來，從而表現(xiàn)出一系列的礦山壓力現(xiàn)象。

對于三向受力情況下若處于彈性狀態(tài)，則由于體積變化而積聚的應(yīng)變能為

由于形狀的改變而積聚的彈性能為

由以上兩式可知，隨著開采深度的增加，處于彈性狀態(tài)的巖層將積聚大量的應(yīng)變能，此能量與其賦存深度的平方成正比，此外，能量的積聚還受到應(yīng)力集中系數(shù)的影響。

支承壓力常以其分布范圍，形式和峰值大小表現(xiàn)其顯現(xiàn)特征，在工作面推進不同距離時，工作面前方煤層內(nèi)支承壓力顯現(xiàn)特征，見表1。超前支承壓力顯著影響范圍取≥25.0MPa垂直應(yīng)力等值線的范圍，超前支承壓力影響范圍取≥20.0MPa垂直應(yīng)力等值線的范圍。

表1 工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布情況

工作面推進不同距離時，采空區(qū)周圍煤體內(nèi)垂直應(yīng)力分布，如圖1～圖2所示。在工作面推進過程中，超前支承壓力隨工作面推進不斷向前推移。沿工作面方向，在采空區(qū)兩側(cè)煤體內(nèi)形成固定支承壓力，它并不隨回采工作面推進而發(fā)生明顯變化。在回采工作面推進一定距離后，采空區(qū)的冒落矸石由松散狀態(tài)進入壓實狀態(tài)，此時采空區(qū)內(nèi)的最高應(yīng)力峰值，開始逐漸恢復(fù)到 。

圖1 工作面推進30m工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布

圖2 工作面推進200m工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布

4 結(jié)語

（1）通過數(shù)值模擬研究分析了首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律即：工作面超前支承壓力在工作面前方的分布規(guī)律，獲得了工作面推進不同距離時工作面支承壓力影響范圍、支承壓力分布及支承壓力集中系數(shù)K值。在工作面推進約100m后時，工作面超前支承壓力最大應(yīng)力集中系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。在工作面前方約7.2～13.8m范圍內(nèi)形成最大集中應(yīng)力，約為35.8MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.11，超前支承壓力顯著影響范圍約為28m，超前支承壓力影響范圍約62m；

（2）數(shù)值模擬結(jié)果為來壓期間頂板管理提供有效的參考。

[1]袁和生.煤礦巷道錨桿支護技術(shù)[M].煤炭工業(yè)出版社.1997：157-192.

[2]戴永浩，陳衛(wèi)忠，劉泉聲，等.深部高地應(yīng)力巷道斷面優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(增 2):4960-4965.