不同煤層傾角條件下側支承壓力分布數值模擬研究

摘要：利用數值模擬的方法結合某煤礦地質情況，模擬了不同角度條件下煤層對側支承壓力的影響，并采用最小二乘法，分析側支承壓力分布特征與煤層傾角的關系。

關鍵詞：煤層傾角；數值模擬；壓力

不同傾角煤層側支承壓力分布的基本規律與近水平煤層相同，但傾斜狀態下巖層受力十分復雜，側支承壓力分布有其獨特的特點。由于缺乏傾角對側支承壓力分布規律影響的理論，工作面區段煤柱留設缺乏依據，巷道變形破壞嚴重。因而尋求特定地質條件下傾角與采場側支承壓力分布規律的關系，探討傾角對側支承壓力的分布特征的影響，對礦壓顯現規律和支護方式研究具有重要意義[1]。

1. 模型的建立及參數的選取

需要模擬的巷道的尺寸根據八礦實際生產的需要，主要考慮通風、運輸、行人、安全等要求，確定巷道的為3400×3200mm的矩形巷道，巷道沿煤層頂板掘進。在-600水平地應力測量的基礎上，確定巷道圍巖的實際應力分布：最大主應力σ1=1526MPa，中間主應力σ2=13.69MPa，最小主應力σ3=7.80MPa。

該煤礦有丁5-6、戊9-10、己15、己16-17三組四層可采煤同時開采，其中己15、己16-17煤層平均間距為7m左右，隨著開采深度的提高，煤層傾角從傾斜慢慢變化到緩傾斜，煤層開采順序為下行式。己15煤層厚度在2.8～3.7m之間，變化不大，屬于半光亮型焦煤。煤層傾角8～16°，較為穩定，煤層南北走向變化明顯，由南向北逐漸上升。煤層的直接頂為砂質泥巖，距煤層頂板0.7m左右有一層0.2～0.6m的煤線，且容易隨采動落下。直接底是一薄層的泥巖，遇水產生膨脹。己16-17煤層為半光亮型焦煤，直接頂為己15底板，厚度7m左右。底板為細砂巖砂巖，頂部為深色泥巖，中部夾砂質泥巖 [2]。根據煤層的地質特征，以及在煤層中鉆取巖樣，進行物理力學試驗，取得巖體的力學參數，并確定需要模擬巷道周圍巖層的物理力學參數[3]。

模型研究范圍：走向300m，傾向35°，高250m。將采場圍巖范圍按照平行于層理面的角度進行分層離散，平均分切成矩形單元，過渡分層采取三角形單元。最終將所研究的范圍劃分為均勻的單元網格：即緊鄰工作面處用小單元，并隨著距工作面的距離增大而增大。采取這樣的方法將巖體單元離散劃分，以提高計算的精度[4]。

2.不同傾角的側支承壓力分布

為尋求傾角對側支承壓力分布影響的規律，在該煤礦己1512150工作面的地質資料的基礎上改變煤層傾角，建立傾角為10°、15°、20°、25°、30°、35°六個模型，各個模型的特征參量如下表1所示：

可知隨著角度的增加側支承壓力主要產生以下變化：隨著角度的增大側支承壓力的峰值距離工作面的距離越來越小，相對應的峰值和卸壓區的范圍隨著角度的增大也越來越小，且角度越大峰值下降幅度越大，當煤層傾角大于20°時，下側峰值顯著大于上側；卸壓區范圍出現下降態勢，傾角達到35°時，上下側支承壓力卸壓范圍僅為1.25m左右；峰值位置也呈減小趨勢，傾角35°峰值位置僅是10°時峰值位置的一半左右。

3.側支承壓力分布特征數據處理

為探討角度與下側支承壓力分布特征的關系，采用最小二乘法對上述模擬結果進行處理，找到角度與卸壓區范圍X0、最大側支承壓力集中系數k及最大側支承壓力集位置的函數關系。

4.結論

（1）當煤層傾角上升時，側支承壓力峰值呈減小態勢，且傾角越大峰值減小幅度越大；當煤層傾角達到35°時，最大應力集中系數下降了20%左右。當煤層傾角大于20°時，下側最大支承壓力集中系數顯著大于上側。

（2）峰值位置呈減小趨勢，煤層傾角35°時峰值位置僅是10°時峰值位置的一半左右。

（3）采用最小二乘法，分析側支承壓力分布特征與煤層傾角的關系。根據數值模擬的結果得出了支承壓力分布特征與煤層傾角的函數關系。

參考文獻：

[1]伍永平，劉孔智，贠東風，解盤石，王紅偉. 大傾角煤層安全高效開采技術研究進展.煤炭學報，2014.08.

[2]伍永平，員東風，張淼豐. 大傾角煤層綜采基本問題研究[J]. 煤炭學報. 2000.05.

[3]張先塵，錢嗚高等.中國采煤學[M].煤炭工業出版社.2003.

[4]曹允偉，王春城等.煤礦開采方法[M].煤炭工業出版社.2005

作者簡介：胡昌貴，1987年生，男，貴州鐘山區人，單位名稱： 貴州省六盤水市鐘山區安監局。