采场前方支承压力分布规律数值模拟研究*

王富林　翟俨伟　李成伟

(1.南华大学核资源工程学院　湖南衡阳 421001；　2.四川大学水利水电学院　成都 610200；

3.平顶山工业职业技术学院　河南平顶山 467001)



采场前方支承压力分布规律数值模拟研究*

王富林1翟俨伟2李成伟3

(1.南华大学核资源工程学院湖南衡阳 421001；2.四川大学水利水电学院成都 610200；

3.平顶山工业职业技术学院河南平顶山 467001)

摘要采煤工作面前方移动支承压力在矿压显现中起主导作用，往往是矿井复杂动力现象的力源。结合矿井具体地质条件，采用FLAC数值模拟研究煤层厚度、开采深度、煤体强度对支承压力分布特征的影响，得出在其它地质和生产技术条件一定的情况下，采场前方支承压力分布的基本规律，为确定采面前方支承压力影响区范围、回采巷道超前支护范围以及优化支护方案提供了参考。

关键词移动支承压力数值模拟开采深度煤层厚度煤体强度

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

煤层开采后引起的前方支承压力，在采场矿压显现中起主导作用，往往是矿井复杂动力现象的动力源[1]。在煤层开采过程中，由于前方支承压力作用导致采场围岩变形，不仅直接影响到超前影响区巷道变形和支护，而且也诱发冲击地压、煤炮、煤与瓦斯突出、顶板大面积垮落等矿井动力现象的发生[2]。通过分析前方支承压力分布特征的影响因素，掌握在特定的地质条件和采矿条件下支承压力峰值大小、位置和作用范围，对选取合理的采煤工艺、改善采场支护状态、确定回采巷道合理超前支护、防治矿井动力灾害、提高放顶煤开采的顶煤冒放率等有着积极的意义。目前，研究支承压力分布特征的方法包括理论计算、相似模拟、数值模拟及现场实测等。本文结合某矿地质和采矿条件，采用FLAC3D数值模拟方法，对不同条件下的采场前方支承压力分布特征进行分析，为类似地质条件下煤层开采提供参考。

1采场前方支承压力理论分析

依据弹性力学中的极限平衡理论，采场前方支承压力以采场原岩应力为基准，随着距煤壁距离的改变而发生变化。在一定地质条件下，采场前方一定距离范围内，存在煤体承载能力与支承压力处于极限平衡状态，支承压力峰值距煤壁距离x0可表示为：

(1)

式中，K为应力集中系数；M为采高，m；H为开采深度，m；γ为上覆岩层容重，kN/m3；f为煤坚固性系数；φ为煤体内摩擦角；C+σtanφ为煤体自撑力。

由此可知，采场前方煤体所承受的支承压力与开采深度、采高成正比，当开采深度、采出煤层厚度增加时，采场前方煤体支承压力显现愈加明显。随着极限平衡区和应力降低区宽度的增大，支承压力值和影响区范围增大，煤体发生塑性破坏的范围增大。同时由于支承压力作用的显现作用，工作面前方运输平巷和回风平巷一定范围内受到采动影响作用较明显，主要表现在围岩变形速度和变形量明显增大。此外，支承压力分布还与煤壁的承载能力有关，即与煤的物理力学性质有关。煤的内摩擦角、摩擦系数越大，极限平衡区及应力降低区宽度越小，但该变化范围相对较小[3-5]。

2FLAC数值模拟分析

结合某矿地质条件和生产技术条件，假设煤层顶底板岩性、煤层倾角和侧压系数不变，推进速度和采煤方法等条件不变，通过构建9组计算模型运用FLAC3D数值模拟研究在不同煤层厚度(2 m，4 m，6 m，8 m)，不同煤体坚固性系数(0.2，1.5，3.0)，不同开采深度(310 m，410 m，510 m，610 m)条件下采动应力分布场的变化规律。

模型长度为250 m，高度分别为140，142，144，146 m，宽度为10 m，划分为250×140(/142/144/146)×1个单元。模型下边界为固支边；左右边界限制x方向的位移；模型上部为自由边界，按照深度施加自重应力。侧压系数取该矿区经验值1.2，煤岩体物理力学参数采用修正后的实测数据(见表1)，模型采用修正的摩尔-库仑准则作为各个单元体破坏的强度准则，力学模型示意图如图1所示。试验所采取的方法如下，采煤工作面从距模型左边界50 m处开始向右方向推进，前50 m每步开挖5 m，后100 m每步开挖20 m。

表1　煤岩体物理力学参数表

注：“*”为经验参数。

模拟引用最大应力集中系数Kmax、峰值距煤壁距离x0、支承压力影响范围L(大于原岩应力5%的范围)参数，来定量表示移动支承压力的分布特征。

图1　力学模型示意图

2.1不同煤层厚度时支承压力分布规律

图2表示当煤的坚固性系数为0.2、开采深度为410 m时，支承压力分布特征随煤层厚度的变化规律。随着工作面推进距离的增大，最大应力集中系数Kmax、峰值距煤壁的距离x0、支承压力影响范围L逐渐增大，达到一定距离时趋于稳定，在较小的范围内呈周期性上下波动。根据采场砌体梁理论，随着工作面的推进，老顶内出现的砌体梁结构不断经历稳定—失稳—再稳定的循环变化，但梁结构始终存在，支撑梁结构的采场前方煤体始终存在移动支承压力，且随着推进距离的增大，煤层采出空间变大而导致前方煤体支撑的覆岩重量逐渐增大，从而支承压力集中系数逐渐变大，达到一定距离后趋于稳定[6-7]。在特定的推进距离时随着煤层厚度的增加，支承压力的峰值越小，最大应力集中系数Kmax也越小；但峰值距煤壁的距离x0及支承压力影响范围L均增大。

(a)最大应力集中系数Kmax

(b)峰值距煤壁的距离x0

(c)支承压力影响范围L

2.2不同采深时支承压力分布规律

图3表示煤的坚固性系数为0.2，煤层厚度为4 m时，支承压力分布特征随开采深度的变化规律。在采面特定的推进距离范围时，随着开采深度的增加，支承压力的峰值增大，但最大应力集中系数Kmax减小；峰值距煤壁的距离x0及支承压力影响范围L均增大。当采面推进到一定距离时，地表才发生充分移动。发生充分移动前，随着采面推进距离的增大，采场前方支承压力的影响区范围随着推进距离的增加而逐渐增大。当采面推进到一定距离，地表出现充分采动时，地表下沉量达到最大值，此时采场前方采动影响角为一定值，该值与煤层顶板围岩岩性有关，随着围岩强度的升高，采动影响角减小[8-9]。

(a)最大应力集中系数Kmax

(b)峰值距煤壁的距离x0

(c)支承压力影响范围L

工作面前方移动支承压力影响区域范围L与开采深度H、采动影响角α之间具有以下关系：

(2)

式(2)较好地解释了采场前方支承压力随着开采深度增加，支承压力影响区以及峰值区增大的原因。

2.3不同f值时支承压力分布规律

图4表示煤层厚度为4 m，开采深度为410 m时，支承压力分布特征随煤坚固性系数的变化规律。随着采面推进距离的增大，支承压力影响区范围、峰值位置以及最大应力集中系数Kmax也随之逐渐增大，当推进距离达到一定值时，三者逐渐趋于一个定值或常数。但随着煤体硬度的提高，支承压力影响区范围L、峰值距煤壁的距离x0减小；而最大应力集中系数Kmax则增大。

(a)最大应力集中系数Kmax

(b)峰值距煤壁的距离x0

(c)支承压力影响范围L

依据弹性极限理论，支承压力峰值位置即弹性极限固定端，该处所受应力状态是三向极限应力状态，其要满足能够平衡不可控岩层(支架工作阻力不能够控制由岩层自重产生的运动的岩层)作用在该处煤体上的压强。在其它地质及生产条件不变的情况下，主要取决于煤体的强度，煤体的强度越小，弹性模量、内聚力、抗拉强度、抗压强度等参数随之变小。采场煤体回采后，不可控岩层的载荷通过可控岩层加上可控岩层载荷作用于采场煤壁，当煤体坚固性系数较小、强度较低时，煤壁附近煤体首先被压酥破坏而失去抗荷载能力，在作用于其上的载荷超过煤体残余强度时，应力峰值向煤体深部转移，导致峰值距煤壁距离x0增大，支承压力影响范围L随之增大，反之则减小[10-11]，这与上述模拟结果基本类似。

3结论

采煤工作面前方移动支承压力始终影响到工作面前方回风平巷和运输平巷的超前支护，结合矿井实例，通过对采场前方支承压力的数值模拟得出以下结论：

(1)自初采开始，支承压力影响范围L、峰值距煤壁距离x0、最大应力集中系数Kmax均随推进距离增加而增大；老顶初次来压之后三者增速减小，地表达到充分采动时，趋于常数。

(2)在相同推进距离时，支承压力影响范围L

和峰值距煤壁距离x0随煤层厚度增加而增大，最大应力集中系数Kmax则减小。

(3)在相同推进距离时，随开采深度的增加，支承压力峰值增大，但最大应力集中系数Kmax减小，峰值距煤壁距离x0和支承压力影响范围L均增大。

(4)在相同推进距离时，支承压力影响范围L和峰值距煤壁距离x0随煤坚固性系数的提高而减小，最大应力集中系数Kmax则增大。

参考文献

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[10]陈忠辉,谢和平.综放采场支承压力分布的损伤力学分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):436-439.

[11]翟新献，田昌盛.易自燃煤层综放开采理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008:147-169.

(收稿日期：2015-02-06)

作者简介王富林，男，1985年生，河南省林州市人，现从事矿山开采及安全方面的教学与研究工作。

*基金项目：国家自然科学基金(51074065)，湖南省教育厅科研项目资助(14C0959)，南华大学大学生创新训练项目资助。