超前支承压力对下山的影响分析及合理停采线位置确定

陈 科,柏建彪,胡忠超,朱 琪

(中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州,221008)

超前支承压力对下山的影响分析及合理停采线位置确定

陈 科,柏建彪,胡忠超,朱 琪

(中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州,221008)

为了分析工作面超前支承压力对下山的影响,采用理论计算、数值模拟,对晋城永安煤矿工作面超前支承压力分布规律进行了分析,确定了超前支承压力峰值位置为距材料下山 30m外,高达 19.55MPa,叠加影响应力集中系数最高达 3～3.5,且对底板深部产生影响。确定了合理的停采线位置为距离材料下山 60m,下山维护取得了良好的效果。

超前支承压力;下山;数值模拟;停采线

煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态,引起应力重新分布。对于受到采动影响的巷道,其维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响以外,主要取决于采动影响。煤层开采以后,采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带。工作面前方形成超前支承压力,随着工作面推进而向前移动,如果受到两侧采动影响,超前支承压力会在某些地方发生叠加,应力增高系数可达 3～5,甚至更高。因此,研究超前支承压力峰值位置及影响范围,对确定合理的停采线位置及改善下山维护状况具有重要作用[1]。

1 工程概况

晋城沁和能源永安煤矿主采煤层为 3号煤,埋深约 300m,平均厚约 6m。采用炮采工艺,分层开采,其中 3号煤上分层已全部采完,采高 2m,上分层停采线距材料下山 30m,下分层正在开采,采高 2m,放煤厚度约 2m。材料、胶带、回风下山均布置在煤层中,下山间留设煤柱均为 15m,其中回风下山一侧为五里庙煤矿采空区,由于受到两侧超前支承压力的叠加影响,导致下山围岩稳定性差,难以维护,严重影响矿井正常生产。下山布置位置关系如图 1,工作面顶底板柱状如图 2所示。

图1 下山布置位置关系

2 超前支承压力理论计算

2.1 塑性区超前支承压力峰值的确定[1]

煤体的承载能力,随着远离煤体边缘而明显增长。在距煤体边缘一定宽度内,存在着煤体的承载能力与支承压力处于极限平衡状态,运用岩体的极限平衡理论,塑性区的宽度,即支承压力峰值与煤体边缘之间的距离 x0为：

图2 工作面顶底板柱状

上式中假定煤层内摩擦角 φ为定值,得出 x0在同一煤层条件下只随煤层厚度增大而增大。因此,工作面前方支承压力峰值点随着采高增大向煤体深处转移。由式 (1)确定 x0=30m,说明支承压力峰值在距煤体边缘 30m左右。由于永安煤矿材料、胶带、回风下山受到两侧采动影响,在煤柱中央因长期处于塑性流动状态而遭到了严重破坏。因此,为了避免下山处于高应力影响范围内,应留设区段煤柱大于 30m。

2.2 弹性区超前支承压力计算[2]

由式 (3)可得弹性区的范围 x1=10～12m,随着距煤壁距离增加,塑性区内支承压力呈指数函数关系递增至支承压力峰值;弹性区内支承压力呈负指数函数关系递减至原始支承压力。由此可知,由于支承压力叠加作用,应力集中系数增大。

3 数值分析计算

3.1 数值模型

表1 数值模拟计算模型的岩体力学参数

3.2 计算结果分析

当巷道不受采动影响时,围岩中的压力分布均匀,巷道处于稳定状态。当一侧受到支承压力影响时,距离区段煤柱较近的巷道将受到较大影响,巷道围岩应力集中明显加强。尤其是材料下山,高应力将严重影响材料下山围岩的稳定。当两侧受到超前支承压力的影响时,由于压力叠加等影响,应力值不断增大,影响范围也不断扩大,导致 3条下山围岩破碎,难于维护,同时,应力还会向底板深部传递,在底板岩层一定范围内应力重新分布,造成下山底鼓现象严重。图 3～图 6为 60m,50m,40m,30m停采线下的超前支承压力分布图。

图3 60m超前支承压力分布

数值模拟结果表明,由于工作面推进引起的超前支承压力将不断向前移动并不断增大,超前支承压力在距离巷道 30m左右时达到峰值,当工作面推进距离材料下山 60m时,超前支承压力峰值处于区段煤柱中部,巷道围岩处于压力降低区内,巷道维护较容易,当工作面推进距离材料下山小于50m时,由于应力叠加等影响,超前支承压力不断增大,最大可达到 19.55MPa,巷道围岩在此影响范围之内。由于巷道围岩处于该支承压力引起的高应力区域,导致巷道难于维护。因此,根据数值模拟结果确定停采线位置距材料下山应大于 60m。

图4 50m超前支承压力分布

图5 40m超前支承压力分布

图6 30m超前支承压力分布

4 合理停采线位置的确定

工作面停采线位置的确定,应保证下山处于超前支承压力降低区内,由超前支承压力峰值位置的理论计算及数值模拟结果分析表明,考虑超挖、煤壁片帮等影响,应留设区段煤柱 60m,即合理的停采线位置距离材料下山 60m。工程实践表明,晋城沁和能源永安煤矿确定了合理的停采线位置后,下山避免了超前支承应力叠加的影响,同时通过对 3条下山进行注浆加固,围岩承载能力得到很大提高,维护状况得到改善,工程取得良好的效果。

5 结论

(1)通过理论计算,确定了超前支承压力峰值位置为距离材料下山 30m处。

(2)数值模拟结果表明,随着工作面的不断推进,超前支承压力也不断向前移动,而且超前支承压力的叠加影响越来越大,应力集中系数最高达到 3～3.5,同时,应力还会向底板深部传递,在底板岩层一定范围内应力重新分布,当工作面推进距离材料下山 30m时,超前支承压力峰值达到19.55MPa,下山维护极其困难。

(3)合理的停采线位置为距离材料下山 60m,工程实践表明,下山维护取得了良好的效果。

[1]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[2]鲁 岩,樊胜强,邹喜正 .工作面超前支承压力分布规律[J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版),2008(4).

[3]刘 波,韩彦辉 .FLAC原理、实例与应用指南 [M].北京：人民交通出版社,2005.

Analysis of Influence of Advance Abutment Pressure on D ip and Rational End-m in ing L ine Selection

CHEN Ke,BA IJian-biao,HU Zhong-chao,ZHU Qi
(State KeyLaboratory of Coal Resource&SafetyMining,Mining Engineering College,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

This paper applied theoretical calculation and numerical s imulation to analyzing distribution rules of abutment pressure of mining face and its influence on dip in Yong’an Colliery.Then it determined rational end-mining line to make good supporting effect for dip.

advanced abutment pressure;dip;numerical s imulation;end-mining line

TD323

A

1006-6225(2010)01-0035-03

2009-09-07

国家自然科学基金项目 (50774077,50574089);全国博士学位论文作者专项资金资助项目 (200760);教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET-06-0475)

陈 科 (1982-),男,山西大同人,在读硕士,从事矿山压力及其控制方面的研究工作。

王兴库]