數值模擬研究首采面礦壓顯現規律

王存海

（神華寧夏煤業集團金能煤業分公司生產技術科，寧夏 石嘴山 750004）

1 地質概況

某工作面開采煤層為13-1煤層，總厚2.37～3.75m，平均2.88m，煤層結構較復雜。直接頂為砂質泥巖、13-2煤、泥巖、砂質泥巖等，局部為細砂巖，平均厚度為6.4m。老頂為砂質泥巖、中砂巖，厚度2.5～3.1m，平均厚度2.7m；直接底泥巖，厚度 3.57～4.85m，平均厚度 4.15m；老底為粉砂巖，厚度 2.55～3.7m，平均厚度3.05m。工作面推進長度2122m，工作面長度為203m，工作面沿俯斜推進，東高西低，傾向SW，其煤層底板標高為-579～-729m，地面標高為+21.9～+22.5m。13-1煤層平緩，煤層傾角 0°～17°，平均 7°，距切眼 500m范圍內傾角較大9～17°，平均11°左右。1141（3）工作面西至13-1煤采區大巷，東至13-1防水煤柱線，南鄰F161斷層，該工作面周圍均為未采區。工作面兩巷均采用矩形斷面，錨網支護，斷面凈寬×凈高=5.0m×3.0m。特殊地段采用架棚、增設點柱等辦法加強支護。架棚支護參數：半圓拱斷面，29U鋼棚，棚距600mm，寬×高=5.2m×4.05m。

2 模型建立

數值模型共有64375個單元格，模型總高度為98.4m，長度為300m，寬度為300m。模型上部邊界是應力邊界條件，其余邊界是位移邊界條件，模擬煤層傾角為7°，工作面沿俯斜推進，模擬工作面平均采深為645.5m，工作面上覆巖層平均容重取24KN/m3，模型如圖1所示。

圖1 數值模型及網格劃分

3 計算結果分析

回采工作面從開切眼推進到初次來壓前，可以把整個采空區近似地視為一個橢圓，根據圓形孔兩側的支承壓力分布，可以推理沿工作面推進方向的煤層內形成支承壓力。在煤層內根據切向應力的大小，可將其劃分為三個區域，其一為減壓區B，即切向應力比原始垂直應力 要小的區域；其二為增壓區A，即比原始垂直應力 要大的區域，一般可以取高于原始垂直應力的5%作為分界處；其三為穩壓區C，即切向應力恢復到 的區域。在支承壓力區內的煤層，由于承受強大的應力，積聚大量的彈性變形能，當工作面的推進或在支承壓力區開掘巷道，則這些彈性能將全部釋放出來，從而表現出一系列的礦山壓力現象。

對于三向受力情況下若處于彈性狀態，則由于體積變化而積聚的應變能為

由于形狀的改變而積聚的彈性能為

由以上兩式可知，隨著開采深度的增加，處于彈性狀態的巖層將積聚大量的應變能，此能量與其賦存深度的平方成正比，此外，能量的積聚還受到應力集中系數的影響。

支承壓力常以其分布范圍，形式和峰值大小表現其顯現特征，在工作面推進不同距離時，工作面前方煤層內支承壓力顯現特征，見表1。超前支承壓力顯著影響范圍取≥25.0MPa垂直應力等值線的范圍，超前支承壓力影響范圍取≥20.0MPa垂直應力等值線的范圍。

表1 工作面前方煤層內支承壓力分布情況

工作面推進不同距離時，采空區周圍煤體內垂直應力分布，如圖1～圖2所示。在工作面推進過程中，超前支承壓力隨工作面推進不斷向前推移。沿工作面方向，在采空區兩側煤體內形成固定支承壓力，它并不隨回采工作面推進而發生明顯變化。在回采工作面推進一定距離后，采空區的冒落矸石由松散狀態進入壓實狀態，此時采空區內的最高應力峰值，開始逐漸恢復到 。

圖1 工作面推進30m工作面前方煤層內支承壓力分布

圖2 工作面推進200m工作面前方煤層內支承壓力分布

4 結語

（1）通過數值模擬研究分析了首采面礦壓顯現規律即：工作面超前支承壓力在工作面前方的分布規律，獲得了工作面推進不同距離時工作面支承壓力影響范圍、支承壓力分布及支承壓力集中系數K值。在工作面推進約100m后時，工作面超前支承壓力最大應力集中系數逐漸趨于穩定。在工作面前方約7.2～13.8m范圍內形成最大集中應力，約為35.8MPa，最大應力集中系數為2.11，超前支承壓力顯著影響范圍約為28m，超前支承壓力影響范圍約62m；

（2）數值模擬結果為來壓期間頂板管理提供有效的參考。

[1]袁和生.煤礦巷道錨桿支護技術[M].煤炭工業出版社.1997：157-192.

[2]戴永浩，陳衛忠，劉泉聲，等.深部高地應力巷道斷面優化研究[J].巖土力學與工程學報，2004，23(增 2):4960-4965.