采煤工作面垂直應(yīng)力計算

趙　鋒（山東能源臨沂礦業(yè)集團,山東 臨沂 276017）

采煤工作面垂直應(yīng)力計算

趙鋒
（山東能源臨沂礦業(yè)集團,山東 臨沂 276017）

古城煤礦3202工作面為古城煤礦即將回采的工作面，距離3203采空區(qū)121m，平均開采深度為1170m，最大采深為1250m。因此計算垂直應(yīng)力對3202工作面的回采具有重要的指導(dǎo)意義。

垂直應(yīng)力;采空區(qū);關(guān)鍵層;影響范圍

1　采空區(qū)側(cè)向支承壓力計算理論

采空區(qū)側(cè)向支承壓力由于受到周圍巖層運動的影響，采空區(qū)上覆巖層的厚硬巖層是造成各巖層組在工作面前方產(chǎn)生離層的主要原因。在上方巖層的厚硬巖層和下方巖層的軟弱巖層之間出現(xiàn)離層，巖層移動線為采空區(qū)一側(cè)離層端的連線，該線與水平線的夾角α稱為巖層移動角。采空區(qū)一側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力σ由自重應(yīng)力σq和應(yīng)力增量σ等兩部分組成，即

（1）式中σ等于采空區(qū)上覆巖層的厚硬巖層懸露部分傳遞到一側(cè)煤體上的壓力之和，即σ=Σσi；σi為第i層厚硬巖層懸露部分傳遞到一側(cè)煤體上的壓力，i=1~n。

每個厚硬巖層懸露部分傳遞到采空區(qū)一側(cè)煤體的重量為其重量的一半，其應(yīng)力增量呈等腰梯形分布，如圖1所示，則第i個關(guān)鍵層傳遞到采空區(qū)一側(cè)煤體的應(yīng)力增量為：

（2）式中：

σmaxi——厚硬巖層在采空區(qū)一側(cè)煤體上產(chǎn)生的最大支承壓力

Mi——厚硬巖層厚度；Hi為厚硬巖層厚度中心到煤層底板的距離，

2I——采空區(qū)寬度；

Qi——厚硬巖層在采空區(qū)懸露部分重量的一半，

Li——厚硬巖層層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長度，Li=2I+2Hicotα；γ——巖層容重。

將n個厚硬巖層懸露部產(chǎn)生的應(yīng)力增量疊加，從而得到應(yīng)力增量?σ。

由自重產(chǎn)生的應(yīng)力σq為

（3）式中：

H——最大采深。

工作面垂直應(yīng)力計算公式是一組分段函數(shù)。

2　工作面垂直應(yīng)力計算結(jié)果

3201工作面開采后，采空區(qū)周圍巖層的運動處于非充分采動階段，采空區(qū)寬度的一半約為巖層破裂高度，每個關(guān)鍵層懸露部分傳遞到采空區(qū)一側(cè)煤體的重量為其重量的一半。通過采空區(qū)側(cè)向支撐壓力計算理論模型，計算3202工作面的垂直應(yīng)力，得到垂直應(yīng)力影響范圍。

通過鉆孔柱狀圖可以看出煤層上方400m至600m處有兩層厚度很大的中粒砂巖和細粒砂巖。考慮到基巖厚度相對較大，這里取巖層移動角α約為84°。取采深為1150m，工作面傾斜長度為120m，可得分段函數(shù)中自變量的計算區(qū)間為

簡化計算過程，其厚度M1為1080m。將工作面參數(shù)代入式（1）～（3），同時取巖層容重γ為2.5t/m3，可得具體的側(cè)向支承壓力壓力的計算公式為

（4）通過計算，得到3203采空區(qū)一側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力分布。支承壓力峰值位置距采空區(qū)約64m，支承壓力峰值約為93MPa；距采空區(qū)0～19m為低應(yīng)力區(qū)；距采空區(qū)19m～128m為支承壓力影響區(qū)；距采空區(qū)128m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。

計算表明，3203采空區(qū)的側(cè)向支承壓力影響范圍為128m，而3203采空區(qū)距3202工作面121m，故3202工作面皮帶順槽仍處于3203采空區(qū)影響范圍內(nèi)。因此，采空區(qū)主要影響3202工作面皮帶順槽，從而有可能造成皮帶順槽圍巖變形量大，甚至造成巷道沖擊。

3　結(jié)語

根據(jù)3202工作面實際回采過程發(fā)現(xiàn)，3202工作面皮帶順槽礦壓顯現(xiàn)明顯，頂?shù)装鍑鷰r變形嚴重，特別是推采到見方位置應(yīng)力集中區(qū)段，礦壓顯現(xiàn)更為明顯。根據(jù)此工作面垂直應(yīng)力計算方法計算出的結(jié)果符合現(xiàn)場實際。對現(xiàn)場提前采取防范措施起到了重要的指導(dǎo)意義。

[1]潘俊鋒,連國明,齊慶新等.沖擊危險性厚煤層綜放開采沖擊地壓發(fā)生機理[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(06).

[2]羅一忠.大面積采空區(qū)失穩(wěn)的重大危險源辨識[D].長沙:中南大學(xué),2005.

趙鋒（1980—），男，山東科技大學(xué)，本科，自動化專業(yè)，助理工程師。