工作面支承壓力變化規律相似模擬試驗研究

譚 峰，胡才夢，魏中舉*，劉富奎（六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004）

工作面支承壓力變化規律相似模擬試驗研究

譚 峰，胡才夢，魏中舉*，劉富奎
（六盤水師范學院礦業工程系，貴州 六盤水 553004）

為揭示采動影響下“三軟”煤層工作面的支承壓力隨工作面推進的變化規律，根據相似原理，通過建立二維相似模型對礦井模擬開采，進行支承壓力的分析，得出了支承壓力隨工作面推進的變化規律，為礦山開采提供了理論依據。

采煤工作面；支承壓力；相似模擬

1　前言

煤層開采時會在工作面煤壁附近產生支承壓力，該支承壓力隨著遠離煤層而趨向緩和。在工作面前方會出現超前支承壓力，隨著回采工作的進行而移動，并且受巖層巖性的影響，其峰值位置及分布范圍對開采會產生重要影響。為進一步了解煤層工作面支承壓力的性質及變化規律，課題組進行了相似模擬試驗，通過試驗中布設應力傳感器，可以較為直觀地分析支承壓力的變化。

2　工程背景

本次相似模擬試驗以六盤水礦區米籮煤礦某工作面為工程背景。工作面走向長為452.5m，傾斜長為166m，可采面積為75115m2，開采煤層位于上二疊系龍潭煤組上段，厚度平均約2.3m，回風順槽標高在+1105.0～+1125.4m；運輸順槽標高在+1058.4～+1076.2m。地面對應標高在+1150～+1375m。

3　試驗模型制作

3.1模型制作

模型制作工序主要分為：裝模板、稱料、混料、加水攪拌、裝料、搗實至規定高度。其中相似模擬材料為河砂、碳酸鈣、石膏粉等，在各分層里加云母粉作為層面隔離。試驗前，要做到細查精檢，以保證實驗成功順利進行。由于模板高度的限制，需要在頂部加上模擬深度未能包括的那部分巖層重量，試驗中采用千斤頂加壓的方式進行處理。

3.2位移場觀測方法及測點布置

在試驗模型中布置了巖層位移觀測點，采用固定在巖層中的紙片作為坐標點，從下至上共22排，每排55個位移觀測點，間隔均為5cm，開采層上部2cm為第一排觀測點。通過對紙片位置的變化來計算巖層及地表的位移情況。

3.3應力觀測及測點布置

通過在模型中布置應力傳感器來監測巖層中應力的變化，測試儀器為DH3816靜態應變測試系統。

4　試驗結果分析

為分析工作面不同位置支承應力隨工作面推進時的變化情況，繪制出每條測點應變片的應力變化曲線，如圖1所示。縱坐標表示巖層應力值，工作面自左向右推進，每個描述點為開切眼與測點的距離（每個點距離為5cm，從11點開始測），橫坐標表示時間軸。

圖1　不同應力測點隨時間的變化圖像

由圖1可以直觀的看出應力隨時間的變化而變化的，并且描述點在相同的時間上應力值也是不一樣的。由圖可以看出描述點值初始值零先增后減并且點16和17應力方向發生來了改變，到描述點18又變回來。而在時間段10574～10598s時應力值大多數為恒定值，只有在描述點17出現了最小值且為13MPa。

根據試驗中觀測到的應力變化可以發現，隨著工作面的推進，工作面前方煤體上會出現超前支承壓力，在開采距離開切眼55cm～60cm的時候應力沒有發生任何變化，而開采到90cm時應力達到最大值，隨后工作面推移應力逐漸減小至恒定值。支承壓力可分為應力降低區、應力增高區及應力不變區，在工作面前方支承壓力的峰值到煤壁為極限平衡區，向煤體內則為彈性區。在回采工作面前后掩體形態可分為煤壁支承區、離層區和重新壓實區。在工作面推進過程中，壓力盒都經歷了應力由小變大，再由大變小，直至上覆巖層巖石壓實，應力基本恢復到原巖應力狀態。由于壓力盒布置在覆巖里面，基本頂來壓后，在采空區后方煤柱附近形成了三角塊結構，從而形成了支承壓力。采空區后方煤柱體內的支承壓力不斷增加，隨著時間的推移，上覆巖層不斷壓實，直至最后穩定，支承壓力也趨于穩定。

5　結論

以米籮礦工作面為工程背景進行了相似模擬試驗，在煤層開采后對覆巖應力進行了監測，得出了支承壓力在隨工作面推移的變化情況。支承壓力可分為應力降低區、應力增高區及應力不變區；支承壓力隨著工作面而不斷移動，煤壁前方為超前支承壓力，在工作面后方采空區支承壓力在巖層被壓實后趨向于穩定。通過相似模擬試驗，可以總結出支承壓力的變化規律，對現場實際生產有一定的理論指導意義。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.182

貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201510977007）。

譚峰（1992-），男，貴州普安人，本科。

魏中舉。