裕民煤矿综采工作面超前支承压力分布规律研究

贾国厚

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西 吕梁 033000）

裕民煤矿综采工作面超前支承压力分布规律研究

贾国厚1,2

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西 吕梁 033000）

为揭示工作面超前支承压力分布规律，采用理论分析和数值模拟的方法，对裕民煤矿工作面支承压力进行了分析，得出综采工作面超前支承压力分布变化规律，为回采巷道超前支护长度、强度等提供了理论依据。

综采工作面；超前支承压力；数值模拟

近年来随着综采技术在我国的迅速发展，顶板安全事故依旧严峻。综采工作面的支承压力分布是受各种条件影响的综合结果。正是因为影响因素众多，其中又有很多难以精确测定的因素，导致这一方面的研究十分困难。本文根据裕民煤矿的开采条件对其工作情况运用数值来进行模拟，从而得到超前支承压力分布情况，为以后类似条件下的工作面开采提供技术支持。

1 工作面概况

裕民煤矿可采煤层为5号煤层，平均煤层厚度为5 m，埋深400 m，煤层平均倾角为5°～8°，采用综合机械化开采方式。综采工作面顶板为泥岩、泥质砂岩等较软岩层，底板为砂岩等岩层。现场实测资料表明综采工作面超前支承压力显现明显，应力集中系数大。

2 超前支承压力的理论分析

2.1 塑性区内支承压力计算

基于塑性理论，我们推导出极限情况下工作面上的压力计算表达式，它的支承压力如下式：

式中：f为层与层之间的摩擦因子；φ为其摩擦角，°；x为这个区域内任意一点至煤壁之间的距离，m；M为整个层厚,m；τ0cot φ为其支承压力，MPa。

令σy=K·γ·H，支承压力峰值点距煤壁的距离为x0:

式中：K为应力集中系数；H为煤层埋深，m；γ为上覆岩层容重，kg·m-3。

对于上述公式，如果煤层里面的摩擦角确定了，那么在这个前提下，它的值只会受煤层厚度的影响，两者是正相关关系。因此，它的最高位置会因采高的变大而移向煤体深处。

2.2 弹性区内支承压力计算

根据弹性理论，得出弹性区内支承力表达式：

式中：β为侧压系数。

设弹性区范围为x1，当x=x0+x1时，σy=γ·H代入上式得

3 模型建立

3.1 力学模型建立

在简化模型的基础上，结合以往的经验，为了模拟效果更加精确，取x轴长度为170 m，y轴长度为80 m，z轴高度为70 m。x为工作面水平径向，y为工作面轴向方向，z方向为工作面垂向。整个工程是沿着y轴的方向进行开采的。在模型的顶部施加10 MPa的压力用于模拟岩层的重力。其边界条件可以看作是：水平方向有约束并且能够垂直移动；底垂直方向有约束，能够水平移动。各层均采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则。力学模型如图1所示。各层围岩力学参数如表1所示。

图1 力学模型

表1 综采工作面各层围岩力学参数汇总表

3.2 模型网格划分

工作面中心及附近的网格大小为每个0.5 m，模型外侧网格大小为每个1.0 m。一共划分了221 850个网格，节点个数为234 600个。x轴从10 m～160 m开挖，煤层走向沿着y轴方向，即工作面的推进方向沿着y轴，推进长度总计60 m，开采高度5 m。

4 模拟结果分析

4.1 工作面向前推进10 m

图2为工作面向前推进10 m时的模拟结果。

图2-a显示了工作面推进10 m时，在x=35 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在2 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约为16.1 MPa，则此时工作面5 m至10 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图2-b显示了工作面推进10 m时，在x=85 m处受到的应力状态图。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在2 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约为16.5 MPa，则此时工作面5 m至10 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图2-c显示了工作面推进10 m时，在x=140 m处受到的应力状态图。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在2 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约为16.1 MPa，则此时工作面5 m至10 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

从工作面推进10 m时，在x=35 m、85 m、140 m的位置处得到它们的垂直应力云图，可以看出在x轴方向上其垂直应力是对称且均匀分布的。并且在整个工作面的中心位置，其应力最大。超前支承压力在x轴方向无明显变化。

图2 工作面推进10 m时垂直压力分布

4.2 工作面向前推进30 m

图3为工作面向前推进30 m时的模拟结果。

图3-a显示了工作面推进30 m时，在x=35 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在5 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约为24.8 MPa，则此时工作面5 m至10 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图3-b显示了工作面推进30 m时，在x=85 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在5 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约为27.5 MPa，则此时工作面5 m至8 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图3-c显示了工作面推进30 m时，在x=140 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在5 m至15 m之间。在垂直方向上最大应力约在24.8 MPa，则此时工作面5 m至10 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图3 工作面推进35 m时垂直压力分布

从工作面推进30 m时，在x=35 m、85 m、140 m的位置处得到它们的应力云图，可以看出在x轴方向上其垂直应力是对称且均匀分布的。并且在整个工作面的中心位置，其应力最大。超前支承力在水平方向上没有明显的变化。

4.3 工作面向前推进50 m

图4为工作面向前推进50 m时的模拟结果。

图4-a显示了工作面推进50 m时，在x=35 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在10 m至25 m之间。在垂直方向上最大应力约为38 MPa，则此时工作面5 m至15 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图4-b显示了工作面推进50 m时，在x=85 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在10 m至25 m之间。在垂直方向上最大应力约为45.6 MPa，则此时工作面5 m至15 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图4-c显示了工作面推进50 m时，在x=140 m处受到的应力状态。如果煤层位于工作面的前方位置，那么集中区范围大约在10 m至25 m之间。在垂直方向上最大应力约为38 MPa，则此时工作面5 m至15 m处的煤层应力是最大的。顶部及其上面的岩层中受到垂直应力和它与工作面之间距离成正相关关系。

图4 工作面推进50 m时垂直压力分布

通过分析对比工作面先前推进50 m时，x为35 m、85 m和140 m处垂直方向的应力云图可以得到：工作面沿着x轴方向垂直应力分布对称，在工作面中心线处垂直应力与两帮相差大。超前支承压力在x轴方向无明显变化。

5 结论

1）对于综采工作面上受到的支承压力集中区，通常是它前方5 m～20 m，上下5 m的位置，若应力峰值出现在前方10 m～15 m位置处的煤层时，其峰值系数能够达到3～5。

2）若工作面继续向前推进，那么工作面受到的支撑力会变大，应力出现的区域也将变大。通过上面的实验可知，在工作面推进10 m、30 m、50 m时，其顶板受到垂直方向上的应力值分别达到了16.6 MPa、27.5 MPa、45.6 MPa。在工作面的宽度方向，垂直应力基本相等。

[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]付玉平，宋选民，邢平伟，等.浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟研究[J].煤炭学报，2012,37（3）：366-371.

[3] 陈苏社.特殊地质条件下综采工作面顶板控制技术[J].煤炭科学技术，2014,42（2）：124-128.

[4]伊曾德.采动覆岩破坏特征及其应用研究[D].济南：山东科技大学，2007.

[5] 司荣军.采场围岩控制理论与实践综述及展望[J].矿业工程,2006,4(4)：26-28.

[6]蔡光顺.中兴矿极近距离煤层开采巷道布置及支护技术研究[D].北京：中国矿业大学，2013.

（编辑：杨 鹏）

Distribution of Advanced Abutment Pressure of Fully-mechanized Mining Face in Yumin Mine

JIA Guohou1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;
(2.Lvliang Ventilation and Gas Control Center of Mines,Lvliang 033000,China)

To reveal the distribution of advanced abutment pressure,theoretical analysis and numerical simulation are used to study the advanced abutment pressure of Yumin mine and then conclude the distribution variation,which could provide theoretical evidence for the calculation of the length and strength ofthe advanced abutment.

fully-mechanized miningface;advanced abutment pressure;numerical simulation

TD323

A

1672-5050（2016）04-050-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.014

2016-04-19

贾国厚(1983-)，男，山西吕梁人，在读工程硕士，工程师，从事煤矿通风与瓦斯防治工作。