数值模拟研究首采面侧向支承压力分布规律

彭来

淮南矿业集团潘一矿通风科

数值模拟研究首采面侧向支承压力分布规律

彭来

淮南矿业集团潘一矿通风科

目前，预测首采面侧向支承压力分布规律为沿空掘巷煤柱留设的煤柱尺寸设计及支护参数设计提供可靠依据。本文通过数值模拟预测某矿首采面侧向支承压力分布规律情况，以期为后期安全高效开采提供保障。

数值模拟；首采面；矿压显现规律

1 地质概况

FLAC数值模拟研究能很好的分析工程开挖问题，特别是对侧向支承压力难以测量精准的难题，通过数值模拟研究能得出其分布规律，为下区段巷道留设提供有利依据[1-3]。某工作面开采煤层为13-1煤层，总厚2.37m～3.75m，平均2.88m，煤层结构较复杂。直接顶为砂质泥岩、13-2煤、泥岩、砂质泥岩等，局部为细砂岩，平均厚度为6.4m。老顶为砂质泥岩、中砂岩，厚度2.5m～3.1m，平均厚度2.7m；直接底泥岩，厚度3.57m～4.85m，平均厚度4.15m；老底为粉砂岩，厚度2.55m～3.7m，平均厚度3.05m。工作面推进长度2122m，工作面长度为203m，工作面沿俯斜推进，东高西低，倾向SW，其煤层底板标高为-579m～-729m，地面标高为+21.9m～+22.5m。13-1煤层平缓，煤层倾角0°～17°，平均7°，距切眼500m范围内倾角较大9°～17°，平均11°左右。1141（3）工作面西至13-1煤采区大巷，东至13-1防水煤柱线，南邻F161断层，该工作面周围均为未采区。工作面两巷均采用矩形断面，锚网支护，断面净宽×净高=5.0m×3.0m。特殊地段采用架棚、增设点柱等办法加强支护。架棚支护参数:半圆拱断面，29U钢棚，棚距600mm，宽×高=5.2m×4.05m。

2 模型建立

数值模型共有64375个单元格，模型总高度为98.4m，长度为300m，宽度为300m。模型上部边界是应力边界条件，其余边界是位移边界条件，模拟煤层倾角为7°，工作面沿俯斜推进，模拟工作面平均采深为645.5m，工作面上覆岩层平均容重取24KN/m3，模型如图1所示。

图1 数值模型及网格划分

3 侧向支承压力分布规律的数值模拟研究

3.1 沿运输顺槽煤帮倾斜方向

工作面推进200m后，在工作面后方采空区内，沿运输顺槽煤帮倾斜方向支承压力分布，如图2所示。

图2 沿运输顺槽煤帮倾斜方向支承压力分布

根据表1，在工作面后方60m～80m，沿运输顺槽煤帮倾斜方向煤层内垂直应力逐渐趋于稳定。最大垂直应力达到31.0 MPa～36.3MPa，最大应力集中系数为2.00～2.34，最大集中应力范围7.0m～9.3m，侧向支承压力显著影响范围16.2m～24.2m。运输顺槽煤帮内垂直应力分布，如图3所示。

图3 工作面后方60m处运输顺槽煤帮内垂直应力分布

表1 沿运输顺槽煤帮倾斜方向煤层内支承压力分布情况

3.2 沿轨道顺槽煤帮方向

根据表2，在工作面后方60m～80m，沿轨道顺槽煤帮倾斜方向煤层内垂直应力逐渐趋于稳定。最大垂直应力达到31.3MPa～35.4MPa，最大应力集中系数为2.02～2.31，最大集中应力范围7.0m～9.4m，侧向支承压力显著影响范围12.0m～18.0m。轨道顺槽煤帮内垂直应力分布，如图4所示。

图4 工作面后方60m处轨道顺槽煤帮内垂直应力分布

表2 沿轨道顺槽煤帮倾斜方向煤层内支承压力分布情况

4 结语

研究工作面沿侧向支承压力分布规律，获得了到工作面不同距离处侧向支承压力分布情况，为沿空掘巷煤柱设计及其它工作面煤柱设计提供指导。

（1）在工作面后方60m～80m，沿运输顺槽煤帮倾斜方向煤层内垂直应力逐渐趋于稳定。最大垂直应力达到31.0 MPa～36.3MPa，最大应力集中系数为2.00～2.34，最大集中应力范围7.0m～9.3m，侧向支承压力显著影响范围16.2～24.2m。

（2）在工作面后方60m～80m，沿轨道顺槽煤帮倾斜方向煤层内垂直应力逐渐趋于稳定。最大垂直应力达到31.3 MPa～35.4MPa，最大应力集中系数为2.02～2.31，最大集中应力范围7.0m～9.4m，侧向支承压力显著影响范围12.0m～18.0m。

[1] 侯俊领. 倾斜长壁工作面应力分布及其对瓦斯压力影响规律研究[D]. 安徽理工大学，2009,6.

[2] 司荣军，王春秋，谭云亮. 采场支承压力分布规律的数值模拟研究[J].岩土力学，2007,28(2).

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.027