大倾角工作面超前支承压力分布规律研究

摘要：以某矿901S工作面现场地质条件为背景，利用Flac3D模拟软件对回采过程中工作面煤壁前方支撑压力进行了数值模拟。通过对模拟结果和现场实测结果的分析得出大倾角大采高工作面煤壁前方支承压力分布有新的特点。

关键词：大倾角大采高 支承压力 Flac3D

近年来，随着煤炭工业技术的快速发展，国内少数矿井已经实践了大倾角大采高工作面的生产，但是理论经验并不是很成熟 [1]。国内外学者针对大倾角大采高工作面矿压显现规律做出了大量研究：张建华[2]以宁东矿区清水营矿为背景，分析了开采扰动过程中大倾角大采高工作面覆岩应力与变形规律；孙立亚[3]通过对徐州张集煤矿现场观测得出了大倾角大采高高档普采条件下的矿压显现规律；邓涛[4]结合高庄矿生产实际，进行了超前支护方法、工作面防治水等关键技术的研究与实践。由以上研究成果可以看出针对大倾角大采高工作面超前支承压力的研究还不成熟，超前支承压力会对巷道维护、顶板管理、支架稳定性评价等问题产生直接影响。因此，掌握大倾角工作面超前支承压力分布特征，能给矿井安全生产提供有力保障，推动矿井高产高效的发展。

1.工作面概况

901S工作面位于+850水平的一采区，煤层平均埋深278.5m。工作面开采范围内走向长平均1988m，平均倾斜长为165.3m，倾斜面积为328694㎡，煤层倾角自北向南由18°逐渐增大到40°，平均33.7°。煤厚度为5.01m。通过地质资料分析，该煤层为一构造复杂煤层。

2.数值分析

模型以901S工作面煤层开采地质条件为基础建立，x轴方向长200m，y轴方向长200m，z轴方向长180m，y方向为工作面推进方向。本模型底面限制位移，侧面限制水平位移，模型上表面根据煤层埋深施加自重应力，采用Mohr-Coulomb破坏准则。

选取模型推进至10m、20m、40m、60m、80m、100m时采场垂直应力分布情况进行分析。随着工作面的推进距离增加：支承压力峰值逐渐增大；峰值位置与工作面煤壁之间的距离逐渐增大；支承压力影响范围越来越广。图1（a）、（c）为工作面上、下两侧分别距离上、下端头20m处超前支承压力曲线。由图1可以看出：受工作面倾角影响，工作面上部、中部、下部支承压力分布明显不同；工作面中部支承压力峰值最大，支承压力影响范围也最广，工作面推进60m时支承压力峰值为24.37Mpa，应力集中系数达到2.49；工作面下部与上部对称位置相比，支承压力峰值明显较大，峰值点位置与煤壁距离也相应较大；当工作面推进至100m时，上部、下部支承压力峰值分别是19.23Mpa和23.41Mpa，距煤壁距离分别为10.61m和12.36m。在模拟推进范围内，这种差距随着开采距离的增加有增大的趋势。图1（d）可以形象的反映出工作面前方支承压力峰值的分布情况，由图1（d）可以看出工作面上端支承压力峰值点位置距煤壁距离较小，沿煤层倾斜方向向下，峰值点与煤壁距离逐渐增加，最大值出现在工作面中部偏下的位置，呈向下部偏的弧线。

（a）工作面上部支承压力曲线

（b）工作面中部支承压力曲线

（c）工作面下部支承压力曲线

（d）支承压力峰值点位置曲线

图1 工作面超前支承压力曲线及特征曲线

3.现场实测

为掌握901S工作面超前支承压力分布规律，对工作面上下两巷进行了顶、底板移近量的观测，观测结果如图2所示。由图2可以看出，随着测站与工作面距离的减小，顶、底板移近速度是逐渐增大的。上、顺槽分别在11m和12.6m左右移近速度陡然上升，这与模拟结果的峰值位置基本吻合。工作面上顺槽顶、底板移近速度整体小于下顺槽速度，而且剧烈影响段与煤壁距离比下顺槽近，这与数值模拟得出的峰值位置结论基本一致。

图2 上下顺槽顶、底板移近速度变化曲线

4.结论

通过对采场支承压力的Flac3D数值模拟以及现场实测结果的分析研究，得出以下结论：随工作面推进距离的增加，大倾角大采高工作面煤壁前方支承压力峰值逐渐增大，峰值点与煤壁距离也越来越远，影响范围增加最大；沿煤层倾斜方向上，支承压力峰值最大的地方位于工作面中部偏下的位置，中部压力峰值大，支承压力影响范围也广；受煤层倾角影响，下部支承压力峰值整体大于上部，峰值点与煤壁的距离中部大于两端、下部大于上部，整体呈偏向工作面下方的弧线。

参考文献：

[1]钱鸣高，许家林.煤炭工业发展面临几个问题的讨论[J].采矿与安全工程学报，2006，23（2）：1-6.

[2]张建华，伍永平等.大倾角“三软”富含水大采高工作面围岩运动规律[J].西安科技大学学报，2006，30（4）：388-392

[3]孙立亚，鲁庆明.大倾角大采高机采面矿压显现规律[J].矿山压力与顶板管理，2000（4）：10-12

[4]邓涛，马建国，潘卫东等.大倾角大采高综采关键技术研究与实践[J].煤炭工程，2010（9）：46-48