深井不同采高围岩应力演化规律研究

王文全

【摘 要】 文章以山东某矿深井工作面为工程背景，运用数值模拟软件对千米深井不同采高下应力分布规律进行研究，通过对工作面超前支承压力峰值、推进影响范围和煤层围岩破坏等方面的分析，得出结论：深井开采过程中，煤壁前方支承压力峰值和压力影响范围与推进距离呈正相关，在采高不同的情况下，工作面推进距离相同时，超前支承压力峰值随采高的增加而增大，工作面围岩的破坏随采空区的增大破坏范围增大。研究成果对深井工作面安全开采具有一定的指导意义。

【关键词】 深井;不同采高;支承压力;数值模拟

【中图分类号】 TD322 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）02-0007-03

国内外广大科技工作者对不同地质条件下的巷道围岩进行了大量的研究，但对深井不同采高下工作面开采应力变化特征鲜有研究。因此，采用FLAC数值模拟软件模拟研究千米深井在不同采高下围岩应力的分布规律具有重要的现实意义，可以为深部煤炭资源的安全高效开采提供有益的参考。

1工程概况及研究方法

1.1工程概况

以山东某煤矿深井工作面为例，其煤层厚度为3～5m，硬度2～3，倾角平均5°，以亮煤为主，暗煤次之，成条带状分布。工作面宽120m，直接顶和直接底均为泥岩，采用一次采全高开采。

1.2研究方法

根据上述地质概况，使用FLAC数值模拟软件进行模拟。模型尺寸长×宽×高=320m×260m×66.7m，模拟埋深1100m，顶部施加25.8Mpa的均布垂直应力，模型顶部为自由面，底部边界固定，左右分别施加水平约束，煤层以及顶底板数值按表1进行模拟。在煤层厚度不同的情况下，分别对采高3m、4m和5m的工作面进行研究，其余岩层及厚度均相同。为了消除模型的边界效应，在工作面左右各留100m煤柱，前后各留50m煤柱，工作面宽度为120m。模型如图1所示。

模型开挖完成后，对模型在每推进一次后的煤壁前方做应力分析，研究超前支承压力随推进距离的变化、每次推进在煤壁前方应力影响的范围和煤层围岩塑性区分布变化。分别对采高为3m、4m和5m的模型进行研究与比较（见表1）。

2模拟结果与分析

2.1采高为5m时沿掘进方向应力分析

采高为5m时，在工作面第一次开挖20m后，煤壁前方支承压力峰值为33.36MPa，并在煤壁前方60m处应力为26.75MPa，接近原岩应力;工作面推进到40m时，煤壁前方支承压力峰值增大，达到42.09MPa，在煤壁前方60m处应力为26.73MPa，接近原岩应力。随着工作面的持续推进，在达到总推进距离中值80m处时，工作面超前支承压力峰值为58.05MPa，在煤壁前方60m处支承压力为26.25MPa;当工作面推进至120m，此时工作面长宽相等，超前支承压力峰值达到67.39MPa。可见，在工作面见方前，超前支承压力峰值随推进距离的增加增长较快。如图1列举了推进不同距离时支承压力变化及开挖后应力影响的范围。

由图2可见采高5m推进距离为40m、80m、120m时工作面超前支承压力的分布。在工作面推进距离为40m时，工作面超前支承压力在推进方向达到最大且影响范围较大;当工作面推进到80m时，超前支承压力的影响较40m时在工作面倾向影响范围变大且应力值变大;当工作面推进到120m时，支承压力在工作面倾向明显变大，且在倾向峰值大于走向峰值。

综合图2可看出，支承压力在工作面四周分布随推进距离的增大变化明显。

2.2采高为4m时沿掘进方向应力分析

如图3可以看出，采高为4m时，煤壁前方支承压力的峰值随推进距离的增大而增大。工作面推进40m时，煤壁前方支承压力峰值为41.82MPa，在煤壁前方60m处支承压力为26.68MPa，接近原岩应力;工作面推进到80m时，超前支承压力峰值达到57.75MPa，在煤壁前方60m处支承压力为26.12MPa，接近原岩应力。在工作面见方时，超前工作面支承压力峰值达到67.22MPa，此后沿掘进方向工作面超前支承压力峰值增长速度减慢。

如图4所示，工作面四周支承压力随推进距离的增大而增大，当工作面推進距离小于工作面倾向长度时，沿掘进方向工作面超前支承压力较大。随着工作面推进距离的增大，工作面倾向支承压力的增大明显大于工作面走向的超前支承压力。

2.3采高为3m时沿掘进方向应力分析

采高为3m推进不同距离超前工作面支承压力变化如图5，其变化趋势与图1、图3相同。当工作面推进到20m时，超前支承压力峰值为32.8MPa，在煤壁前方60m处压力为26.67MPa，接近原岩应力;工作面推进到40m，煤壁前方支承压力峰值为41.57MPa，在煤壁前方60m处应力为26.6MPa;工作面推进到80m时，煤壁前方支承压力峰值达到57.45MPa，在煤壁前方60m处应力接近原岩应力，为26.22MPa;当工作面推进到120m时，煤壁前方支承压力峰值为66.97MPa，在煤壁前方60m处为25.4MPa，接近原岩应力。由图可知，工作面超前支承压力峰值在煤壁前方10～20m内出现，约为12m处，煤壁前方60m左右支承压力接近原岩应力。

如图6所示，3m采高支承压力切片图与采高为4m和5m时相似，煤壁前方支承压力峰值随采空区的增大而增大，而煤壁前方支承压力峰值的位置和接近原岩应力时的位置随采空区的增大并没有发生明显的改变。

2.4不同采高应力峰值比较

由图7可知，在千米深井相同采高的情况下，超前支承压力峰值与推进距离呈正相关，即超前支承压力峰值随推进距离的增加不断增大;在千米深井不同采高的情况下，超前支承压力峰值与开采高度呈正相关，即超前支撑压力峰值随开采高度的增加而增大。推进距离为120m时，即工作面倾向与走向长度相等时超前支承压力峰值较大，容易引发冲击地压等动力灾害。

3结论

煤层开采后，煤壁前方支承压力的变化趋势：先增大后减小，最后达到原岩应力，曲线变化较为平缓。

深井开采过程中，煤壁前方支承压力与工作面推进距离呈正相关，即超前支承压力随工作面推进距离的增加而增大，并在工作面走向与倾向长度相等时达到最大值。应力变化分布以采空区中部为轴，呈对称分布。

在采高不同的情况下，工作面推进距离相同时，煤壁前方支承压力和影响范围与开采高度呈正相关，即超前支承压力随采高的增加而增大。

与浅井开采相比，深井开采具有较高的应力值，应力作用明显，易引发动力灾害。

【参考文献】

[1]王显政.能源革命和经济发展新常态下中国煤炭工业发展的战略思考[J].中国煤炭，2015，41（4）：5-8.

[2]柏建彪，侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报，2006（2）：145-148.

[3]蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析[J].煤炭科学技术，2016，44（1）：39-46.

[4]滕吉文，乔勇虎，宋鹏汉.我国煤炭需求、探查潜力与高效利用分析[J].地球物理学报，2016，59（12）：4633-4653.

[5]武泉林，李安民，张林冲，等.千米深井工作面推进步距与采动应力分布影响规律分析[J].煤矿安全，2012，43（6）：155-157.

[6]张培鹏，蒋金泉，曲华，等.千米深井大采高采场分布规律数值分析[J].煤炭工程，2014，46（5）：48-50.

[7]张忠.金川二矿区1098m分段巷道稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2003（S2）：2620-2624.

[8]高延法，范庆忠，王汉鹏.岩石峰值后注浆加固实验与巷道稳定性控制[J].岩土力学，2004（S1）：21-24.