大采高采场超前支承压力分布规律研究

张宇

【摘 要】 大采高工作面在开采时易导致煤壁产生失稳片帮现象，对工作面安全生产产生重要影响。文章根据某矿大采高工作面实际开采情况，利用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，研究大采高工作面开采超前支承压力分布特征。研究表明：1）通过理论分析得到超前支承压力峰值距离为8.3 m;2）工作面前方可分为应力增大区、应力减小区和原岩应力区;3）工作面前方的支承压力分布范围为30～36m，峰值应力点为5.8m～8.8m。研究成果可为大采高煤矿的安全生产提供理论依据。

【关键词】 大采高;超前支承压力;分布规律;数值模拟

【中图分类号】 TD326 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）02-0004-03

由于工作面采高的增大，工作面周围的应力水平与普通采高相比有着很大的变化。近年来，采矿的高度也增加了，并且由于采矿后承受压力所需的平衡岩壁的发展，采矿压力、顶板控制和超负荷具有了不一样的新特征。大采高工作面超前支承压力大，导致工作面前方煤体裂隙发育，是造成煤壁片帮进而引发冒顶的主要原因。因此，如何保障大采高情况下采煤工作面安全高效开采成为迫在眉睫的问题。

国内许多专家对应力分布规律进行了大量的研究。王成威将FLAC3D的数值模拟并结合现场监测钻孔应力计以获得峰值、应力的影响距离以及峰值的位置，且数值模拟软件的结果与现场数值较为吻合。孙少龙等发现随着工作面的不断推进，不同开采高度和不同开采深度，超前支承压力的应力集中系数不同，并分析其规律、其峰值。安宁等以某矿31113工作面为研究背景，对该工作面不同推进深度采场应力变化进行数值模拟分析。以上专家对工作面开采应力分布特征进行了大量的研究，但对大采高开采超前支承压力分布特征鲜有报道。本文以某矿大采高工作面为研究背景，采用FLAC3D数值模拟软件研究大采高工作面开采过程中超前支承压力变化规律。研究成果可为类似条件下煤矿开采提供一定的理论依据。

1工程背景

某矿工作面的走向长度为2084m，采煤工艺为以此采全高，平均采高为5.0m。埋深为163.9～273.9m。煤层有黑色细条状结构，主要是深色煤球，然后是深色煤，有金属光泽。煤层附近岩层情况见表1。

2支承压力分布规律的计算

根据极限平衡理论：

经过上述理论计算，工作面前的峰值距离为8.3m。

3数值模拟结果分析

按照所设定的模型岩层、岩层物理系数以及走向分布等创建模型后，得到应力云图（如图1）。

针对模型开挖后，应用软件对模型在垂直方向、距工作面20米处进行切片处理得到应力云图（图2）、应力分布曲线（图3）。

如图2所示，当工作面推进到20m时，工作面前方出现应力集中。如图3所示，在5.8m时达到8.8Mpa峰值应力。然后，在距工作面的5.8m直至30m处应力逐渐变低，并且逐渐趋于稳定，稳定时的应力比原始岩石应力值高5%。

针对模型开挖后，应用软件对模型在垂直方向、距工作面80米处进行切片处理得到应力云图（图4）、应力分布曲线（图5）。如图4所示，当工作面推进到80m时，应力峰值将会在前方集中。如图5所示，在8.1m时达到7.7MPa峰值应力。然后，在距工作面的8.1m直至35m处应力逐渐变低，并且逐渐趋于稳定，稳定时的应力比原始岩石应力值高5%。

针对模型开挖后，应用软件对模型在垂直方向、距工作面120米处进行切片处置得到应力云图（图6）及应力分布曲线（图7）。如图6所示，当工作面推进到120m時，应力峰值将会在前方集中。如图7所示，在8.3m时达到8.1MPa峰值应力。然后，在距工作面的8.3m直至40m处应力逐渐变低，并且逐渐趋于稳定，稳定时的应力比原始岩石应力值高5.22%。

由图2、图4、图6应力分布云图可知，随着工作面的不断向前推进，工作面两端由于采动影响产生的应力区域以及应力峰值发生变化，而应力峰值随着工作面不断推进峰值逐渐增加。在工作面顶底板区域出现应力释放现象，推进步距不同，应力释放的范围不同。在煤壁中部区域出现弹性核，应力集中比较明显，约在距煤壁8m。支承压力分布规律明显，在走向方向表现为应力减小区、应力增加区以及应力稳定区域。

支承压力在推进距离不同时的比较，如图8所示。从推进60m时峰值为7.4MPa，到推进到140m时峰值为8.3MPa，而且峰值出现的位置也越来越靠后，最终支承压力都在采场前五十米左右趋于稳定值。

4结论

通过极限平衡理论推导得到大采高工作面开采超前支承压力峰值距离煤壁的距离为8.3m。

煤层开挖后，工作面前方可分为应力增大区、应力减小区和原岩应力区。超前支承压力沿工作表面的行进方向急剧上升，然后逐渐回落到原始的岩石应力。

通过模拟所得到的工作面前方峰值应力值逐渐增大，峰值位置逐渐向前移动，且回落的应力值也相应有增大的趋势。工作面前方的支承压力分布范围为30～36m，峰值应力点为5.8m～8.8m。

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