大采高工作面超前支承應力分布特征分析

姚鵬飛

【摘 要】 大采高工作面在開采時易導致巷道難支護、煤壁片幫現象，嚴重影響煤礦安全生產。本文根據某礦8.5m大采高工作面實際開采情況，利用FLAC3D數值模擬軟件建立數值模型，研究大采高工作面推進過程中超前支承應力分布特征。研究表明：1）煤壁前方劃分為塑性變形區、彈性應力變形區、原巖應力區，且工作面超前支承應力影響范圍為50m，峰值介于9～9.7MPa;2）隨著工作面的不斷演化，應力峰值前移，應力集中程度上升，最大值的位置隨著其不斷推進發生向前移動的現象。研究成果可為大采高煤礦的安全生產提供理論依據。

【關鍵詞】 大采高;應力分布;數值模擬

【中圖分類號】 TD323 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）03-0006-03

由于大采高工作面采高的增大，工作面周圍的應力水平與普通采高相比有著很大的變化。近年來，隨著煤礦開采工作面高度的增加，采場壓力劇烈顯現、頂板控制難度增加，與正常工作面開采相比表現特征不同。且大采高工作面超前支承應力大，導致工作面前方煤體裂隙發育，造成煤壁片幫，進而引發冒頂。因此，如何保障大采高情況下采煤工作面安全高效開采成為迫在眉睫的問題。

國內許多專家對工作面開采中支承應力分布規律做了大量的研究。武泉森研究得出：工作面超前移動支承應力區的影響范圍為工作面前方35m，最大值位置位于工作面前方20～25m處。但是在超前支承應力的范圍內，直接頂與基本頂之間產生二層，這表示支柱載荷增大、錨桿受力也增加，為了增強巷道的穩定性，單體液壓支柱初承力要大于8MPa。陳軼平文中指出工作面超前支承應力大約在工作面前方35m左右位置，回采工作面前方煤體處于應力升高區，頂、底板支承應力顯現相似。在數值模擬過程中，最初開采工作面的超前支承應力最大值為25MPa，超前支承應力最高值實際測量22.3MPa。應力峰值的實際測得數據比模擬軟件得出的小一些，但相差并不大。對首采工作面超前支承應力分布研究，為該礦類似條件下工作面兩巷的超前支護提供了技術參考依據。以上專家對工作面開采超前支承應力分布特征進行了大量的研究，但對大采高工作面開采過程中應力分布特征研究較少。本文以某礦大采高工作面為研究背景，采用FLAC3D數值模擬軟件研究大采高工作面開采過程中超前支承應力變化規律，為類似條件下開采提供一定的科學依據。

1工程背景

某礦煤層的平均厚度在8m左右。煤的質量狀況：顏色為黑色，主要以亮煤為主，有著玻璃光澤，性質較脆，含硫低，發熱量高的比較優質的無煙煤。煤礦埋深270m，煤層的直接頂為厚度在12m左右的細砂巖，再往上依次為：粉砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、泥巖。厚度分別為7m、16m、13m、6m、9m、10m。煤層的直接底為厚度14m左右的粗砂巖，再往下是厚度25m的粗砂巖。

2數值模型建立

此模型的尺寸為300m（長）×200m（寬）×120m（高），劃分單元格尺寸60×40×24的數學模型，共分為57600個單元格。模型的巖層性質及物理力學參數如表1。模型頂部施加3.75MP的垂直應力。煤層邊界的x軸方向和y軸方向分別各預留出80m左右和75m左右的煤柱。

3模擬結果分析

3.1工作面前方支承應力云圖分布特征

把研究工作面的支承應力分布的特征作為目的，模擬工作面推進不同距離分別為20m、60m、80m、100m、140m時支承應力的分布。結果如圖1所示。

由圖1可知，工作面應力值隨著開挖而重新分配。同時，工作面推進引起工作面前后支承應力的動態變化，也有非常容易檢測到的應力集中區。當工作面推進時，應力的最大值、最大值點逐漸增加，支承應力的影響范圍也在漸漸變大，但是當工作面推進了80m后最大值變化較小，變化可以忽略，會保持在8MPa左右，同時底板的應力變化并不是很大。

3.2工作面前方支承應力變化趨勢

從圖2可知，工作面推進了20m時，前方形成了應力集中，在距離工作面1m處到達了峰值為7.43MPa左右，此后，支承應力會慢慢下降，到工作面前方50m處達到穩定狀態。

從圖3可以分析出，當工作面推進了80m時，與之前一樣工作面前方同樣也形成了應力集中，在距離工作面1m處達到了最大值9.37MPa之后便出現先減小再穩定的現象。

從圖4可知，當工作面推進了140m時，前方形成了應力集中，同時在距離工作面1米處達到了峰值9.65MPa，然后支承應力慢慢降低，直到工作面前方50m處趨于穩定狀態，就可以判斷出應力影響范圍。

經過研究表明，工作面的前方煤體從近到遠可以劃分為3個區域：塑性變形區、彈性應力變形區、原巖應力區。分別把超前支承應力和推進距離的值作為y軸和x軸，建立坐標，我們就可以得到如圖5各推進距離支承應力變化曲線，分析圖5可知，雖然應力的最大值與位置出現不同，但規律相似，工作面前方塑性區的范圍為6.7-12.5m，平均8.9m。應力的影響范圍為0～50m左右，它的最大值在9-9.7MPa之內，平均9.4MPa。伴隨著工作面不斷地向前推進，工作面的支承應力最大值的位置發生了前移的現象。

4結論

工作面的全部煤層結構可劃分為：塑性變形區、彈性應力變形區、原巖應力區。采用FLAC3D軟件模擬工作面在不同推進距離時應力的變化，我們得到了應力隨著距工作面的距離增加而升高，并且隨著開挖工作面的不斷向前推進，支承應力呈現出增長的趨勢。同時得出工作面超前支承應力的影響范圍不超過50m。其最大值介于9～9.7MPa，平均9.4MPa。

通過數值模擬得出工作面的應力的最大值大約在9.6MPa左右，實際測得超前支承應力的峰值平均為9MPa左右，兩者相差并不多。

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