大采高工作面超前支承应力分布特征分析

姚鹏飞

【摘 要】 大采高工作面在开采时易导致巷道难支护、煤壁片帮现象，严重影响煤矿安全生产。本文根据某矿8.5m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，研究大采高工作面推进过程中超前支承应力分布特征。研究表明：1）煤壁前方划分为塑性变形区、弹性应力变形区、原岩应力区，且工作面超前支承应力影响范围为50m，峰值介于9～9.7MPa;2）随着工作面的不断演化，应力峰值前移，应力集中程度上升，最大值的位置随着其不断推进发生向前移动的现象。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;应力分布;数值模拟

【中图分类号】 TD323 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）03-0006-03

由于大采高工作面采高的增大，工作面周围的应力水平与普通采高相比有著很大的变化。近年来，随着煤矿开采工作面高度的增加，采场压力剧烈显现、顶板控制难度增加，与正常工作面开采相比表现特征不同。且大采高工作面超前支承应力大，导致工作面前方煤体裂隙发育，造成煤壁片帮，进而引发冒顶。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。

国内许多专家对工作面开采中支承应力分布规律做了大量的研究。武泉森研究得出：工作面超前移动支承应力区的影响范围为工作面前方35m，最大值位置位于工作面前方20～25m处。但是在超前支承应力的范围内，直接顶与基本顶之间产生二层，这表示支柱载荷增大、锚杆受力也增加，为了增强巷道的稳定性，单体液压支柱初承力要大于8MPa。陈轶平文中指出工作面超前支承应力大约在工作面前方35m左右位置，回采工作面前方煤体处于应力升高区，顶、底板支承应力显现相似。在数值模拟过程中，最初开采工作面的超前支承应力最大值为25MPa，超前支承应力最高值实际测量22.3MPa。应力峰值的实际测得数据比模拟软件得出的小一些，但相差并不大。对首采工作面超前支承应力分布研究，为该矿类似条件下工作面两巷的超前支护提供了技术参考依据。以上专家对工作面开采超前支承应力分布特征进行了大量的研究，但对大采高工作面开采过程中应力分布特征研究较少。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应力变化规律，为类似条件下开采提供一定的科学依据。

1工程背景

某矿煤层的平均厚度在8m左右。煤的质量状况：颜色为黑色，主要以亮煤为主，有着玻璃光泽，性质较脆，含硫低，发热量高的比较优质的无烟煤。煤矿埋深270m，煤层的直接顶为厚度在12m左右的细砂岩，再往上依次为：粉砂岩、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩。厚度分别为7m、16m、13m、6m、9m、10m。煤层的直接底为厚度14m左右的粗砂岩，再往下是厚度25m的粗砂岩。

2数值模型建立

此模型的尺寸为300m（长）×200m（宽）×120m（高），划分单元格尺寸60×40×24的数学模型，共分为57600个单元格。模型的岩层性质及物理力学参数如表1。模型顶部施加3.75MP的垂直应力。煤层边界的x轴方向和y轴方向分别各预留出80m左右和75m左右的煤柱。

3模拟结果分析

3.1工作面前方支承应力云图分布特征

把研究工作面的支承应力分布的特征作为目的，模拟工作面推进不同距离分别为20m、60m、80m、100m、140m时支承应力的分布。结果如图1所示。

由图1可知，工作面应力值随着开挖而重新分配。同时，工作面推进引起工作面前后支承应力的动态变化，也有非常容易检测到的应力集中区。当工作面推进时，应力的最大值、最大值点逐渐增加，支承应力的影响范围也在渐渐变大，但是当工作面推进了80m后最大值变化较小，变化可以忽略，会保持在8MPa左右，同时底板的应力变化并不是很大。

3.2工作面前方支承应力变化趋势

从图2可知，工作面推进了20m时，前方形成了应力集中，在距离工作面1m处到达了峰值为7.43MPa左右，此后，支承应力会慢慢下降，到工作面前方50m处达到稳定状态。

从图3可以分析出，当工作面推进了80m时，与之前一样工作面前方同样也形成了应力集中，在距离工作面1m处达到了最大值9.37MPa之后便出现先减小再稳定的现象。

从图4可知，当工作面推进了140m时，前方形成了应力集中，同时在距离工作面1米处达到了峰值9.65MPa，然后支承应力慢慢降低，直到工作面前方50m处趋于稳定状态，就可以判断出应力影响范围。

经过研究表明，工作面的前方煤体从近到远可以划分为3个区域：塑性变形区、弹性应力变形区、原岩应力区。分别把超前支承应力和推进距离的值作为y轴和x轴，建立坐标，我们就可以得到如图5各推进距离支承应力变化曲线，分析图5可知，虽然应力的最大值与位置出现不同，但规律相似，工作面前方塑性区的范围为6.7-12.5m，平均8.9m。应力的影响范围为0～50m左右，它的最大值在9-9.7MPa之内，平均9.4MPa。伴随着工作面不断地向前推进，工作面的支承应力最大值的位置发生了前移的现象。

4结论

工作面的全部煤层结构可划分为：塑性变形区、弹性应力变形区、原岩应力区。采用FLAC3D软件模拟工作面在不同推进距离时应力的变化，我们得到了应力随着距工作面的距离增加而升高，并且随着开挖工作面的不断向前推进，支承应力呈现出增长的趋势。同时得出工作面超前支承应力的影响范围不超过50m。其最大值介于9～9.7MPa，平均9.4MPa。

通过数值模拟得出工作面的应力的最大值大约在9.6MPa左右，实际测得超前支承应力的峰值平均为9MPa左右，两者相差并不多。

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