王文全

【摘 要】 文章以山東某礦深井工作面為工程背景，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)千米深井不同采高下應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)工作面超前支承壓力峰值、推進(jìn)影響范圍和煤層圍巖破壞等方面的分析，得出結(jié)論：深井開(kāi)采過(guò)程中，煤壁前方支承壓力峰值和壓力影響范圍與推進(jìn)距離呈正相關(guān)，在采高不同的情況下，工作面推進(jìn)距離相同時(shí)，超前支承壓力峰值隨采高的增加而增大，工作面圍巖的破壞隨采空區(qū)的增大破壞范圍增大。研究成果對(duì)深井工作面安全開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】 深井;不同采高;支承壓力;數(shù)值模擬

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD322 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）02-0007-03

國(guó)內(nèi)外廣大科技工作者對(duì)不同地質(zhì)條件下的巷道圍巖進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)深井不同采高下工作面開(kāi)采應(yīng)力變化特征鮮有研究。因此，采用FLAC數(shù)值模擬軟件模擬研究千米深井在不同采高下圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以為深部煤炭資源的安全高效開(kāi)采提供有益的參考。

1工程概況及研究方法

1.1工程概況

以山東某煤礦深井工作面為例，其煤層厚度為3～5m，硬度2～3，傾角平均5°，以亮煤為主，暗煤次之，成條帶狀分布。工作面寬120m，直接頂和直接底均為泥巖，采用一次采全高開(kāi)采。

1.2研究方法

根據(jù)上述地質(zhì)概況，使用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=320m×260m×66.7m，模擬埋深1100m，頂部施加25.8Mpa的均布垂直應(yīng)力，模型頂部為自由面，底部邊界固定，左右分別施加水平約束，煤層以及頂?shù)装鍞?shù)值按表1進(jìn)行模擬。在煤層厚度不同的情況下，分別對(duì)采高3m、4m和5m的工作面進(jìn)行研究，其余巖層及厚度均相同。為了消除模型的邊界效應(yīng)，在工作面左右各留100m煤柱，前后各留50m煤柱，工作面寬度為120m。模型如圖1所示。

模型開(kāi)挖完成后，對(duì)模型在每推進(jìn)一次后的煤壁前方做應(yīng)力分析，研究超前支承壓力隨推進(jìn)距離的變化、每次推進(jìn)在煤壁前方應(yīng)力影響的范圍和煤層圍巖塑性區(qū)分布變化。分別對(duì)采高為3m、4m和5m的模型進(jìn)行研究與比較（見(jiàn)表1）。

2模擬結(jié)果與分析

2.1采高為5m時(shí)沿掘進(jìn)方向應(yīng)力分析

采高為5m時(shí)，在工作面第一次開(kāi)挖20m后，煤壁前方支承壓力峰值為33.36MPa，并在煤壁前方60m處應(yīng)力為26.75MPa，接近原巖應(yīng)力;工作面推進(jìn)到40m時(shí)，煤壁前方支承壓力峰值增大，達(dá)到42.09MPa，在煤壁前方60m處應(yīng)力為26.73MPa，接近原巖應(yīng)力。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，在達(dá)到總推進(jìn)距離中值80m處時(shí)，工作面超前支承壓力峰值為58.05MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.25MPa;當(dāng)工作面推進(jìn)至120m，此時(shí)工作面長(zhǎng)寬相等，超前支承壓力峰值達(dá)到67.39MPa?？梢?jiàn)，在工作面見(jiàn)方前，超前支承壓力峰值隨推進(jìn)距離的增加增長(zhǎng)較快。如圖1列舉了推進(jìn)不同距離時(shí)支承壓力變化及開(kāi)挖后應(yīng)力影響的范圍。

由圖2可見(jiàn)采高5m推進(jìn)距離為40m、80m、120m時(shí)工作面超前支承壓力的分布。在工作面推進(jìn)距離為40m時(shí)，工作面超前支承壓力在推進(jìn)方向達(dá)到最大且影響范圍較大;當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時(shí)，超前支承壓力的影響較40m時(shí)在工作面傾向影響范圍變大且應(yīng)力值變大;當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，支承壓力在工作面傾向明顯變大，且在傾向峰值大于走向峰值。

綜合圖2可看出，支承壓力在工作面四周分布隨推進(jìn)距離的增大變化明顯。

2.2采高為4m時(shí)沿掘進(jìn)方向應(yīng)力分析

如圖3可以看出，采高為4m時(shí)，煤壁前方支承壓力的峰值隨推進(jìn)距離的增大而增大。工作面推進(jìn)40m時(shí)，煤壁前方支承壓力峰值為41.82MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.68MPa，接近原巖應(yīng)力;工作面推進(jìn)到80m時(shí)，超前支承壓力峰值達(dá)到57.75MPa，在煤壁前方60m處支承壓力為26.12MPa，接近原巖應(yīng)力。在工作面見(jiàn)方時(shí)，超前工作面支承壓力峰值達(dá)到67.22MPa，此后沿掘進(jìn)方向工作面超前支承壓力峰值增長(zhǎng)速度減慢。

如圖4所示，工作面四周支承壓力隨推進(jìn)距離的增大而增大，當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于工作面傾向長(zhǎng)度時(shí)，沿掘進(jìn)方向工作面超前支承壓力較大。隨著工作面推進(jìn)距離的增大，工作面傾向支承壓力的增大明顯大于工作面走向的超前支承壓力。

2.3采高為3m時(shí)沿掘進(jìn)方向應(yīng)力分析

采高為3m推進(jìn)不同距離超前工作面支承壓力變化如圖5，其變化趨勢(shì)與圖1、圖3相同。當(dāng)工作面推進(jìn)到20m時(shí)，超前支承壓力峰值為32.8MPa，在煤壁前方60m處壓力為26.67MPa，接近原巖應(yīng)力;工作面推進(jìn)到40m，煤壁前方支承壓力峰值為41.57MPa，在煤壁前方60m處應(yīng)力為26.6MPa;工作面推進(jìn)到80m時(shí)，煤壁前方支承壓力峰值達(dá)到57.45MPa，在煤壁前方60m處應(yīng)力接近原巖應(yīng)力，為26.22MPa;當(dāng)工作面推進(jìn)到120m時(shí)，煤壁前方支承壓力峰值為66.97MPa，在煤壁前方60m處為25.4MPa，接近原巖應(yīng)力。由圖可知，工作面超前支承壓力峰值在煤壁前方10～20m內(nèi)出現(xiàn)，約為12m處，煤壁前方60m左右支承壓力接近原巖應(yīng)力。

如圖6所示，3m采高支承壓力切片圖與采高為4m和5m時(shí)相似，煤壁前方支承壓力峰值隨采空區(qū)的增大而增大，而煤壁前方支承壓力峰值的位置和接近原巖應(yīng)力時(shí)的位置隨采空區(qū)的增大并沒(méi)有發(fā)生明顯的改變。

2.4不同采高應(yīng)力峰值比較

由圖7可知，在千米深井相同采高的情況下，超前支承壓力峰值與推進(jìn)距離呈正相關(guān)，即超前支承壓力峰值隨推進(jìn)距離的增加不斷增大;在千米深井不同采高的情況下，超前支承壓力峰值與開(kāi)采高度呈正相關(guān)，即超前支撐壓力峰值隨開(kāi)采高度的增加而增大。推進(jìn)距離為120m時(shí)，即工作面傾向與走向長(zhǎng)度相等時(shí)超前支承壓力峰值較大，容易引發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。

3結(jié)論

煤層開(kāi)采后，煤壁前方支承壓力的變化趨勢(shì)：先增大后減小，最后達(dá)到原巖應(yīng)力，曲線變化較為平緩。

深井開(kāi)采過(guò)程中，煤壁前方支承壓力與工作面推進(jìn)距離呈正相關(guān)，即超前支承壓力隨工作面推進(jìn)距離的增加而增大，并在工作面走向與傾向長(zhǎng)度相等時(shí)達(dá)到最大值。應(yīng)力變化分布以采空區(qū)中部為軸，呈對(duì)稱(chēng)分布。

在采高不同的情況下，工作面推進(jìn)距離相同時(shí)，煤壁前方支承壓力和影響范圍與開(kāi)采高度呈正相關(guān)，即超前支承壓力隨采高的增加而增大。

與淺井開(kāi)采相比，深井開(kāi)采具有較高的應(yīng)力值，應(yīng)力作用明顯，易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王顯政.能源革命和經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下中國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略思考[J].中國(guó)煤炭，2015，41（4）：5-8.

[2]柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：145-148.

[3]藍(lán)航，陳東科，毛德兵.我國(guó)煤礦深部開(kāi)采現(xiàn)狀及災(zāi)害防治分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（1）：39-46.

[4]滕吉文，喬勇虎，宋鵬漢.我國(guó)煤炭需求、探查潛力與高效利用分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，2016，59（12）：4633-4653.

[5]武泉林，李安民，張林沖，等.千米深井工作面推進(jìn)步距與采動(dòng)應(yīng)力分布影響規(guī)律分析[J].煤礦安全，2012，43（6）：155-157.

[6]張培鵬，蔣金泉，曲華，等.千米深井大采高采場(chǎng)分布規(guī)律數(shù)值分析[J].煤炭工程，2014，46（5）：48-50.

[7]張忠.金川二礦區(qū)1098m分段巷道穩(wěn)定性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003（S2）：2620-2624.

[8]高延法，范慶忠，王漢鵬.巖石峰值后注漿加固實(shí)驗(yàn)與巷道穩(wěn)定性控制[J].巖土力學(xué)，2004（S1）：21-24.