采場前方支承壓力分布規(guī)律數(shù)值模擬研究*

王富林　翟儼偉　李成偉

(1.南華大學核資源工程學院　湖南衡陽 421001；　2.四川大學水利水電學院　成都 610200；

3.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院　河南平頂山 467001)

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采場前方支承壓力分布規(guī)律數(shù)值模擬研究*

王富林1翟儼偉2李成偉3

(1.南華大學核資源工程學院湖南衡陽 421001；2.四川大學水利水電學院成都 610200；

3.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院河南平頂山 467001)

摘要采煤工作面前方移動支承壓力在礦壓顯現(xiàn)中起主導作用，往往是礦井復雜動力現(xiàn)象的力源。結(jié)合礦井具體地質(zhì)條件，采用FLAC數(shù)值模擬研究煤層厚度、開采深度、煤體強度對支承壓力分布特征的影響，得出在其它地質(zhì)和生產(chǎn)技術(shù)條件一定的情況下，采場前方支承壓力分布的基本規(guī)律，為確定采面前方支承壓力影響區(qū)范圍、回采巷道超前支護范圍以及優(yōu)化支護方案提供了參考。

關(guān)鍵詞移動支承壓力數(shù)值模擬開采深度煤層厚度煤體強度

Numerical Simulation on Distribution Law of Abutment Pressure in Front of Coal Face

WANG Fulin1ZHAI Yanwei2LI Chengwei3

(1.SchoolofNuclearResourcesEngineering,UniversityofSouthChinaHengyang，Hunan421001)

AbstractAbutment pressure plays a leading role in mine strata behaviors, which is often the power source of complicated mine dynamic phenomenon. In this paper, the methods of FLAC numerical simulation are applied to study the influences of coal seam thickness, mining depth, coal mass strength on the distribution characteristics of abutment pressure, finding out the basic distribution law of the abutment pressure under the certain geological and producing technique conditions，which provides a basis for the determination of the influence scope of abutment pressure, the advance support scope of roadway and the optimization of support plan.

Key Wordsabutment pressurenumerical simulationmining depthcoal seam thicknesscoal mass strength

0引言

煤層開采后引起的前方支承壓力，在采場礦壓顯現(xiàn)中起主導作用，往往是礦井復雜動力現(xiàn)象的動力源[1]。在煤層開采過程中，由于前方支承壓力作用導致采場圍巖變形，不僅直接影響到超前影響區(qū)巷道變形和支護，而且也誘發(fā)沖擊地壓、煤炮、煤與瓦斯突出、頂板大面積垮落等礦井動力現(xiàn)象的發(fā)生[2]。通過分析前方支承壓力分布特征的影響因素，掌握在特定的地質(zhì)條件和采礦條件下支承壓力峰值大小、位置和作用范圍，對選取合理的采煤工藝、改善采場支護狀態(tài)、確定回采巷道合理超前支護、防治礦井動力災害、提高放頂煤開采的頂煤冒放率等有著積極的意義。目前，研究支承壓力分布特征的方法包括理論計算、相似模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等。本文結(jié)合某礦地質(zhì)和采礦條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，對不同條件下的采場前方支承壓力分布特征進行分析，為類似地質(zhì)條件下煤層開采提供參考。

1采場前方支承壓力理論分析

依據(jù)彈性力學中的極限平衡理論，采場前方支承壓力以采場原巖應力為基準，隨著距煤壁距離的改變而發(fā)生變化。在一定地質(zhì)條件下，采場前方一定距離范圍內(nèi)，存在煤體承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，支承壓力峰值距煤壁距離x0可表示為：

(1)

式中，K為應力集中系數(shù)；M為采高，m；H為開采深度，m；γ為上覆巖層容重，kN/m3；f為煤堅固性系數(shù)；φ為煤體內(nèi)摩擦角；C+σtanφ為煤體自撐力。

由此可知，采場前方煤體所承受的支承壓力與開采深度、采高成正比，當開采深度、采出煤層厚度增加時，采場前方煤體支承壓力顯現(xiàn)愈加明顯。隨著極限平衡區(qū)和應力降低區(qū)寬度的增大，支承壓力值和影響區(qū)范圍增大，煤體發(fā)生塑性破壞的范圍增大。同時由于支承壓力作用的顯現(xiàn)作用，工作面前方運輸平巷和回風平巷一定范圍內(nèi)受到采動影響作用較明顯，主要表現(xiàn)在圍巖變形速度和變形量明顯增大。此外，支承壓力分布還與煤壁的承載能力有關(guān)，即與煤的物理力學性質(zhì)有關(guān)。煤的內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)越大，極限平衡區(qū)及應力降低區(qū)寬度越小，但該變化范圍相對較小[3-5]。

2FLAC數(shù)值模擬分析

結(jié)合某礦地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，假設煤層頂?shù)装鍘r性、煤層傾角和側(cè)壓系數(shù)不變，推進速度和采煤方法等條件不變，通過構(gòu)建9組計算模型運用FLAC3D數(shù)值模擬研究在不同煤層厚度(2 m，4 m，6 m，8 m)，不同煤體堅固性系數(shù)(0.2，1.5，3.0)，不同開采深度(310 m，410 m，510 m，610 m)條件下采動應力分布場的變化規(guī)律。

模型長度為250 m，高度分別為140，142，144，146 m，寬度為10 m，劃分為250×140(/142/144/146)×1個單元。模型下邊界為固支邊；左右邊界限制x方向的位移；模型上部為自由邊界，按照深度施加自重應力。側(cè)壓系數(shù)取該礦區(qū)經(jīng)驗值1.2，煤巖體物理力學參數(shù)采用修正后的實測數(shù)據(jù)(見表1)，模型采用修正的摩爾-庫侖準則作為各個單元體破壞的強度準則，力學模型示意圖如圖1所示。試驗所采取的方法如下，采煤工作面從距模型左邊界50 m處開始向右方向推進，前50 m每步開挖5 m，后100 m每步開挖20 m。

表1　煤巖體物理力學參數(shù)表

注：“*”為經(jīng)驗參數(shù)。

模擬引用最大應力集中系數(shù)Kmax、峰值距煤壁距離x0、支承壓力影響范圍L(大于原巖應力5%的范圍)參數(shù)，來定量表示移動支承壓力的分布特征。

圖1　力學模型示意圖

2.1不同煤層厚度時支承壓力分布規(guī)律

圖2表示當煤的堅固性系數(shù)為0.2、開采深度為410 m時，支承壓力分布特征隨煤層厚度的變化規(guī)律。隨著工作面推進距離的增大，最大應力集中系數(shù)Kmax、峰值距煤壁的距離x0、支承壓力影響范圍L逐漸增大，達到一定距離時趨于穩(wěn)定，在較小的范圍內(nèi)呈周期性上下波動。根據(jù)采場砌體梁理論，隨著工作面的推進，老頂內(nèi)出現(xiàn)的砌體梁結(jié)構(gòu)不斷經(jīng)歷穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定的循環(huán)變化，但梁結(jié)構(gòu)始終存在，支撐梁結(jié)構(gòu)的采場前方煤體始終存在移動支承壓力，且隨著推進距離的增大，煤層采出空間變大而導致前方煤體支撐的覆巖重量逐漸增大，從而支承壓力集中系數(shù)逐漸變大，達到一定距離后趨于穩(wěn)定[6-7]。在特定的推進距離時隨著煤層厚度的增加，支承壓力的峰值越小，最大應力集中系數(shù)Kmax也越?。坏逯稻嗝罕诘木嚯xx0及支承壓力影響范圍L均增大。

(a)最大應力集中系數(shù)Kmax

(b)峰值距煤壁的距離x0

(c)支承壓力影響范圍L

2.2不同采深時支承壓力分布規(guī)律

圖3表示煤的堅固性系數(shù)為0.2，煤層厚度為4 m時，支承壓力分布特征隨開采深度的變化規(guī)律。在采面特定的推進距離范圍時，隨著開采深度的增加，支承壓力的峰值增大，但最大應力集中系數(shù)Kmax減??；峰值距煤壁的距離x0及支承壓力影響范圍L均增大。當采面推進到一定距離時，地表才發(fā)生充分移動。發(fā)生充分移動前，隨著采面推進距離的增大，采場前方支承壓力的影響區(qū)范圍隨著推進距離的增加而逐漸增大。當采面推進到一定距離，地表出現(xiàn)充分采動時，地表下沉量達到最大值，此時采場前方采動影響角為一定值，該值與煤層頂板圍巖巖性有關(guān)，隨著圍巖強度的升高，采動影響角減小[8-9]。

(a)最大應力集中系數(shù)Kmax

(b)峰值距煤壁的距離x0

(c)支承壓力影響范圍L

工作面前方移動支承壓力影響區(qū)域范圍L與開采深度H、采動影響角α之間具有以下關(guān)系：

(2)

式(2)較好地解釋了采場前方支承壓力隨著開采深度增加，支承壓力影響區(qū)以及峰值區(qū)增大的原因。

2.3不同f值時支承壓力分布規(guī)律

圖4表示煤層厚度為4 m，開采深度為410 m時，支承壓力分布特征隨煤堅固性系數(shù)的變化規(guī)律。隨著采面推進距離的增大，支承壓力影響區(qū)范圍、峰值位置以及最大應力集中系數(shù)Kmax也隨之逐漸增大，當推進距離達到一定值時，三者逐漸趨于一個定值或常數(shù)。但隨著煤體硬度的提高，支承壓力影響區(qū)范圍L、峰值距煤壁的距離x0減??；而最大應力集中系數(shù)Kmax則增大。

(a)最大應力集中系數(shù)Kmax

(b)峰值距煤壁的距離x0

(c)支承壓力影響范圍L

依據(jù)彈性極限理論，支承壓力峰值位置即彈性極限固定端，該處所受應力狀態(tài)是三向極限應力狀態(tài)，其要滿足能夠平衡不可控巖層(支架工作阻力不能夠控制由巖層自重產(chǎn)生的運動的巖層)作用在該處煤體上的壓強。在其它地質(zhì)及生產(chǎn)條件不變的情況下，主要取決于煤體的強度，煤體的強度越小，彈性模量、內(nèi)聚力、抗拉強度、抗壓強度等參數(shù)隨之變小。采場煤體回采后，不可控巖層的載荷通過可控巖層加上可控巖層載荷作用于采場煤壁，當煤體堅固性系數(shù)較小、強度較低時，煤壁附近煤體首先被壓酥破壞而失去抗荷載能力，在作用于其上的載荷超過煤體殘余強度時，應力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，導致峰值距煤壁距離x0增大，支承壓力影響范圍L隨之增大，反之則減小[10-11]，這與上述模擬結(jié)果基本類似。

3結(jié)論

采煤工作面前方移動支承壓力始終影響到工作面前方回風平巷和運輸平巷的超前支護，結(jié)合礦井實例，通過對采場前方支承壓力的數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

(1)自初采開始，支承壓力影響范圍L、峰值距煤壁距離x0、最大應力集中系數(shù)Kmax均隨推進距離增加而增大；老頂初次來壓之后三者增速減小，地表達到充分采動時，趨于常數(shù)。

(2)在相同推進距離時，支承壓力影響范圍L

和峰值距煤壁距離x0隨煤層厚度增加而增大，最大應力集中系數(shù)Kmax則減小。

(3)在相同推進距離時，隨開采深度的增加，支承壓力峰值增大，但最大應力集中系數(shù)Kmax減小，峰值距煤壁距離x0和支承壓力影響范圍L均增大。

(4)在相同推進距離時，支承壓力影響范圍L和峰值距煤壁距離x0隨煤堅固性系數(shù)的提高而減小，最大應力集中系數(shù)Kmax則增大。

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(收稿日期：2015-02-06)

作者簡介王富林，男，1985年生，河南省林州市人，現(xiàn)從事礦山開采及安全方面的教學與研究工作。

*基金項目：國家自然科學基金(51074065)，湖南省教育廳科研項目資助(14C0959)，南華大學大學生創(chuàng)新訓練項目資助。