数值模拟研究首采面矿压显现规律

王存海

（神华宁夏煤业集团金能煤业分公司生产技术科，宁夏 石嘴山 750004）

1 地质概况

某工作面开采煤层为13-1煤层，总厚2.37～3.75m，平均2.88m，煤层结构较复杂。直接顶为砂质泥岩、13-2煤、泥岩、砂质泥岩等，局部为细砂岩，平均厚度为6.4m。老顶为砂质泥岩、中砂岩，厚度2.5～3.1m，平均厚度2.7m；直接底泥岩，厚度 3.57～4.85m，平均厚度 4.15m；老底为粉砂岩，厚度 2.55～3.7m，平均厚度3.05m。工作面推进长度2122m，工作面长度为203m，工作面沿俯斜推进，东高西低，倾向SW，其煤层底板标高为-579～-729m，地面标高为+21.9～+22.5m。13-1煤层平缓，煤层倾角 0°～17°，平均 7°，距切眼 500m范围内倾角较大9～17°，平均11°左右。1141（3）工作面西至13-1煤采区大巷，东至13-1防水煤柱线，南邻F161断层，该工作面周围均为未采区。工作面两巷均采用矩形断面，锚网支护，断面净宽×净高=5.0m×3.0m。特殊地段采用架棚、增设点柱等办法加强支护。架棚支护参数：半圆拱断面，29U钢棚，棚距600mm，宽×高=5.2m×4.05m。

2 模型建立

数值模型共有64375个单元格，模型总高度为98.4m，长度为300m，宽度为300m。模型上部边界是应力边界条件，其余边界是位移边界条件，模拟煤层倾角为7°，工作面沿俯斜推进，模拟工作面平均采深为645.5m，工作面上覆岩层平均容重取24KN/m3，模型如图1所示。

图1 数值模型及网格划分

3 计算结果分析

回采工作面从开切眼推进到初次来压前，可以把整个采空区近似地视为一个椭圆，根据圆形孔两侧的支承压力分布，可以推理沿工作面推进方向的煤层内形成支承压力。在煤层内根据切向应力的大小，可将其划分为三个区域，其一为减压区B，即切向应力比原始垂直应力 要小的区域；其二为增压区A，即比原始垂直应力 要大的区域，一般可以取高于原始垂直应力的5%作为分界处；其三为稳压区C，即切向应力恢复到 的区域。在支承压力区内的煤层，由于承受强大的应力，积聚大量的弹性变形能，当工作面的推进或在支承压力区开掘巷道，则这些弹性能将全部释放出来，从而表现出一系列的矿山压力现象。

对于三向受力情况下若处于弹性状态，则由于体积变化而积聚的应变能为

由于形状的改变而积聚的弹性能为

由以上两式可知，随着开采深度的增加，处于弹性状态的岩层将积聚大量的应变能，此能量与其赋存深度的平方成正比，此外，能量的积聚还受到应力集中系数的影响。

支承压力常以其分布范围，形式和峰值大小表现其显现特征，在工作面推进不同距离时，工作面前方煤层内支承压力显现特征，见表1。超前支承压力显著影响范围取≥25.0MPa垂直应力等值线的范围，超前支承压力影响范围取≥20.0MPa垂直应力等值线的范围。

表1 工作面前方煤层内支承压力分布情况

工作面推进不同距离时，采空区周围煤体内垂直应力分布，如图1～图2所示。在工作面推进过程中，超前支承压力随工作面推进不断向前推移。沿工作面方向，在采空区两侧煤体内形成固定支承压力，它并不随回采工作面推进而发生明显变化。在回采工作面推进一定距离后，采空区的冒落矸石由松散状态进入压实状态，此时采空区内的最高应力峰值，开始逐渐恢复到 。

图1 工作面推进30m工作面前方煤层内支承压力分布

图2 工作面推进200m工作面前方煤层内支承压力分布

4 结语

（1）通过数值模拟研究分析了首采面矿压显现规律即：工作面超前支承压力在工作面前方的分布规律，获得了工作面推进不同距离时工作面支承压力影响范围、支承压力分布及支承压力集中系数K值。在工作面推进约100m后时，工作面超前支承压力最大应力集中系数逐渐趋于稳定。在工作面前方约7.2～13.8m范围内形成最大集中应力，约为35.8MPa，最大应力集中系数为2.11，超前支承压力显著影响范围约为28m，超前支承压力影响范围约62m；

（2）数值模拟结果为来压期间顶板管理提供有效的参考。

[1]袁和生.煤矿巷道锚杆支护技术[M].煤炭工业出版社.1997：157-192.

[2]戴永浩，陈卫忠，刘泉声，等.深部高地应力巷道断面优化研究[J].岩土力学与工程学报，2004，23(增 2):4960-4965.