王富林　翟儼偉　李成偉

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

3.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)核資源工程學(xué)院湖南衡陽 421001；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院成都 610200；

3.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dǎo)作用，往往是礦井復(fù)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(qiáng)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(hù)范圍以及優(yōu)化支護(hù)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(qiáng)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(dǎo)作用，往往是礦井復(fù)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(dǎo)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(hù)，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(hù)狀態(tài)、確定回采巷道合理超前支護(hù)、防治礦井動力災(zāi)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(jì)算、相似模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)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(jìn)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(xué)中的極限平衡理論，采場前方支承壓力以采場原巖應(yīng)力為基準(zhǔn)，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(yīng)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(jiān)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(dāng)開采深度、采出煤層厚度增加時(shí)，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(yīng)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(shí)由于支承壓力作用的顯現(xiàn)作用，工作面前方運(yùn)輸平巷和回風(fēng)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(xué)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(yīng)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(shè)煤層頂?shù)装鍘r性、煤層傾角和側(cè)壓系數(shù)不變，推進(jìn)速度和采煤方法等條件不變，通過構(gòu)建9組計(jì)算模型運(yùn)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(jiān)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(yīng)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(gè)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(yīng)力。側(cè)壓系數(shù)取該礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)值1.2，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)采用修正后的實(shí)測數(shù)據(jù)(見表1)，模型采用修正的摩爾-庫侖準(zhǔn)則作為各個(gè)單元體破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則，力學(xué)模型示意圖如圖1所示。試驗(yàn)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(jìn)，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(xué)參數(shù)表

注：“*”為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

模擬引用最大應(yīng)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(yīng)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(xué)模型示意圖

2.1不同煤層厚度時(shí)支承壓力分布規(guī)律

圖2表示當(dāng)煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.2、開采深度為410 m時(shí)，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(jìn)距離的增大，最大應(yīng)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(dá)到一定距離時(shí)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(jìn)，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(jìn)距離的增大，煤層采出空間變大而導(dǎo)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(dá)到一定距離后趨于穩(wěn)定[6-7]。在特定的推進(jìn)距離時(shí)隨著煤層厚度的增加，支承壓力的峰值越小，最大應(yīng)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(yīng)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(shí)支承壓力分布規(guī)律

圖3表示煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.2，煤層厚度為4 m時(shí)，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(jìn)距離范圍時(shí)，隨著開采深度的增加，支承壓力的峰值增大，但最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax減?。环逯稻嗝罕诘木嚯xx0及支承壓力影響范圍L均增大。當(dāng)采面推進(jìn)到一定距離時(shí)，地表才發(fā)生充分移動。發(fā)生充分移動前，隨著采面推進(jìn)距離的增大，采場前方支承壓力的影響區(qū)范圍隨著推進(jìn)距離的增加而逐漸增大。當(dāng)采面推進(jìn)到一定距離，地表出現(xiàn)充分采動時(shí)，地表下沉量達(dá)到最大值，此時(shí)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(qiáng)度的升高，采動影響角減小[8-9]。

(a)最大應(yīng)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(shí)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(shí)，支承壓力分布特征隨煤堅(jiān)固性系數(shù)的變化規(guī)律。隨著采面推進(jìn)距離的增大，支承壓力影響區(qū)范圍、峰值位置以及最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax也隨之逐漸增大，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到一定值時(shí)，三者逐漸趨于一個(gè)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減小；而最大應(yīng)力集中系數(shù)Kmax則增大。

(a)最大應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)是三向極限應(yīng)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(yùn)動的巖層)作用在該處煤體上的壓強(qiáng)。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(qiáng)度，煤體的強(qiáng)度越小，彈性模量、內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(dāng)煤體堅(jiān)固性系數(shù)較小、強(qiáng)度較低時(shí)，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(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，導(dǎo)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(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷的超前支護(hù)，結(jié)合礦井實(shí)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(yīng)力集中系數(shù)Kmax均隨推進(jìn)距離增加而增大；老頂初次來壓之后三者增速減小，地表達(dá)到充分采動時(shí)，趨于常數(shù)。

(2)在相同推進(jìn)距離時(shí)，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(yīng)力集中系數(shù)Kmax則減小。

(3)在相同推進(jìn)距離時(shí)，隨開采深度的增加，支承壓力峰值增大，但最大應(yīng)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(jìn)距離時(shí)，支承壓力影響范圍L和峰值距煤壁距離x0隨煤堅(jiān)固性系數(shù)的提高而減小，最大應(yīng)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(xué)與研究工作。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51074065)，湖南省教育廳科研項(xiàng)目資助(14C0959)，南華大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助。