深井不同采高圍巖應(yīng)力演化規(guī)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(shù)值模擬軟件對千米深井不同采高下應(yīng)力分布規(guī)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(jié)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(guān)，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(qū)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(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】 深井;不同采高;支承壓力;數(shù)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(nèi)外廣大科技工作者對不同地質(zhì)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(yīng)力變化特征鮮有研究。因此，采用FLAC數(shù)值模擬軟件模擬研究千米深井在不同采高下圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律具有重要的現(xiàn)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(jù)上述地質(zhì)概況，使用FLAC數(shù)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(yīng)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?shù)装鍞?shù)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)力影響的范圍和煤層圍巖塑性區(qū)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(jié)果與分析

2.1采高為5m時沿掘進方向應(yīng)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(yīng)力為26.75MPa，接近原巖應(yīng)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(yīng)力為26.73MPa，接近原巖應(yīng)力。隨著工作面的持續(xù)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(dāng)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?？梢?，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(yīng)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(dāng)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(yīng)力值變大;當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力接近原巖應(yīng)力，為26.22MPa;當(dāng)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(yīng)力。由圖可知，工作面超前支承壓力峰值在煤壁前方10～20m內(nèi)出現(xiàn)，約為12m處，煤壁前方60m左右支承壓力接近原巖應(yīng)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(qū)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(yīng)力時的位置隨采空區(qū)的增大并沒有發(fā)生明顯的改變。

2.4不同采高應(yīng)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(guān)，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(guān)，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(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害。

3結(jié)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(yīng)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(guān)，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(yīng)力變化分布以采空區(qū)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(guān)，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(yīng)力值，應(yīng)力作用明顯，易引發(fā)動力災(zāi)害。

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