不同煤层倾角条件下侧支承压力分布数值模拟研究

摘要：利用数值模拟的方法结合某煤矿地质情况，模拟了不同角度条件下煤层对侧支承压力的影响，并采用最小二乘法，分析侧支承压力分布特征与煤层倾角的关系。

关键词：煤层倾角；数值模拟；压力

不同倾角煤层侧支承压力分布的基本规律与近水平煤层相同，但倾斜状态下岩层受力十分复杂，侧支承压力分布有其独特的特点。由于缺乏倾角对侧支承压力分布规律影响的理论，工作面区段煤柱留设缺乏依据，巷道变形破坏严重。因而寻求特定地质条件下倾角与采场侧支承压力分布规律的关系，探讨倾角对侧支承压力的分布特征的影响，对矿压显现规律和支护方式研究具有重要意义[1]。

1. 模型的建立及参数的选取

需要模拟的巷道的尺寸根据八矿实际生产的需要，主要考虑通风、运输、行人、安全等要求，确定巷道的为3400×3200mm的矩形巷道，巷道沿煤层顶板掘进。在-600水平地应力测量的基础上，确定巷道围岩的实际应力分布：最大主应力σ1=1526MPa，中间主应力σ2=13.69MPa，最小主应力σ3=7.80MPa。

该煤矿有丁5-6、戊9-10、己15、己16-17三组四层可采煤同时开采，其中己15、己16-17煤层平均间距为7m左右，随着开采深度的提高，煤层倾角从倾斜慢慢变化到缓倾斜，煤层开采顺序为下行式。己15煤层厚度在2.8～3.7m之间，变化不大，属于半光亮型焦煤。煤层倾角8～16°，较为稳定，煤层南北走向变化明显，由南向北逐渐上升。煤层的直接顶为砂质泥岩，距煤层顶板0.7m左右有一层0.2～0.6m的煤线，且容易随采动落下。直接底是一薄层的泥岩，遇水产生膨胀。己16-17煤层为半光亮型焦煤，直接顶为己15底板，厚度7m左右。底板为细砂岩砂岩，顶部为深色泥岩，中部夹砂质泥岩 [2]。根据煤层的地质特征，以及在煤层中钻取岩样，进行物理力学试验，取得岩体的力学参数，并确定需要模拟巷道周围岩层的物理力学参数[3]。

模型研究范围：走向300m，倾向35°，高250m。将采场围岩范围按照平行于层理面的角度进行分层离散，平均分切成矩形单元，过渡分层采取三角形单元。最终将所研究的范围划分为均匀的单元网格：即紧邻工作面处用小单元，并随着距工作面的距离增大而增大。采取这样的方法将岩体单元离散划分，以提高计算的精度[4]。

2.不同倾角的侧支承压力分布

为寻求倾角对侧支承压力分布影响的规律，在该煤矿己1512150工作面的地质资料的基础上改变煤层倾角，建立倾角为10°、15°、20°、25°、30°、35°六个模型，各个模型的特征参量如下表1所示：

可知随着角度的增加侧支承压力主要产生以下变化：随着角度的增大侧支承压力的峰值距离工作面的距离越来越小，相对应的峰值和卸压区的范围随着角度的增大也越来越小，且角度越大峰值下降幅度越大，当煤层倾角大于20°时，下侧峰值显著大于上侧；卸压区范围出现下降态势，倾角达到35°时，上下侧支承压力卸压范围仅为1.25m左右；峰值位置也呈减小趋势，倾角35°峰值位置仅是10°时峰值位置的一半左右。

3.侧支承压力分布特征数据处理

为探讨角度与下侧支承压力分布特征的关系，采用最小二乘法对上述模拟结果进行处理，找到角度与卸压区范围X0、最大侧支承压力集中系数k及最大侧支承压力集位置的函数关系。

4.结论

（1）当煤层倾角上升时，侧支承压力峰值呈减小态势，且倾角越大峰值减小幅度越大；当煤层倾角达到35°时，最大应力集中系数下降了20%左右。当煤层倾角大于20°时，下侧最大支承压力集中系数显著大于上侧。

（2）峰值位置呈减小趋势，煤层倾角35°时峰值位置仅是10°时峰值位置的一半左右。

（3）采用最小二乘法，分析侧支承压力分布特征与煤层倾角的关系。根据数值模拟的结果得出了支承压力分布特征与煤层倾角的函数关系。

参考文献：

[1]伍永平，刘孔智，贠东风，解盘石，王红伟. 大倾角煤层安全高效开采技术研究进展.煤炭学报，2014.08.

[2]伍永平，员东风，张淼丰. 大倾角煤层综采基本问题研究[J]. 煤炭学报. 2000.05.

[3]张先尘，钱呜高等.中国采煤学[M].煤炭工业出版社.2003.

[4]曹允伟，王春城等.煤矿开采方法[M].煤炭工业出版社.2005

作者简介：胡昌贵，1987年生，男，贵州钟山区人，单位名称： 贵州省六盘水市钟山区安监局。