采煤工作面垂直应力计算

赵　锋（山东能源临沂矿业集团,山东 临沂 276017）

采煤工作面垂直应力计算

赵锋
（山东能源临沂矿业集团,山东 临沂 276017）

古城煤矿3202工作面为古城煤矿即将回采的工作面，距离3203采空区121m，平均开采深度为1170m，最大采深为1250m。因此计算垂直应力对3202工作面的回采具有重要的指导意义。

垂直应力;采空区;关键层;影响范围

1　采空区侧向支承压力计算理论

采空区侧向支承压力由于受到周围岩层运动的影响，采空区上覆岩层的厚硬岩层是造成各岩层组在工作面前方产生离层的主要原因。在上方岩层的厚硬岩层和下方岩层的软弱岩层之间出现离层，岩层移动线为采空区一侧离层端的连线，该线与水平线的夹角α称为岩层移动角。采空区一侧煤体的侧向支承压力σ由自重应力σq和应力增量σ等两部分组成，即

（1）式中σ等于采空区上覆岩层的厚硬岩层悬露部分传递到一侧煤体上的压力之和，即σ=Σσi；σi为第i层厚硬岩层悬露部分传递到一侧煤体上的压力，i=1~n。

每个厚硬岩层悬露部分传递到采空区一侧煤体的重量为其重量的一半，其应力增量呈等腰梯形分布，如图1所示，则第i个关键层传递到采空区一侧煤体的应力增量为：

（2）式中：

σmaxi——厚硬岩层在采空区一侧煤体上产生的最大支承压力

Mi——厚硬岩层厚度；Hi为厚硬岩层厚度中心到煤层底板的距离，

2I——采空区宽度；

Qi——厚硬岩层在采空区悬露部分重量的一半，

Li——厚硬岩层层厚度中心位置在采空区的悬露长度，Li=2I+2Hicotα；γ——岩层容重。

将n个厚硬岩层悬露部产生的应力增量叠加，从而得到应力增量∆σ。

由自重产生的应力σq为

（3）式中：

H——最大采深。

工作面垂直应力计算公式是一组分段函数。

2　工作面垂直应力计算结果

3201工作面开采后，采空区周围岩层的运动处于非充分采动阶段，采空区宽度的一半约为岩层破裂高度，每个关键层悬露部分传递到采空区一侧煤体的重量为其重量的一半。通过采空区侧向支撑压力计算理论模型，计算3202工作面的垂直应力，得到垂直应力影响范围。

通过钻孔柱状图可以看出煤层上方400m至600m处有两层厚度很大的中粒砂岩和细粒砂岩。考虑到基岩厚度相对较大，这里取岩层移动角α约为84°。取采深为1150m，工作面倾斜长度为120m，可得分段函数中自变量的计算区间为

简化计算过程，其厚度M1为1080m。将工作面参数代入式（1）～（3），同时取岩层容重γ为2.5t/m3，可得具体的侧向支承压力压力的计算公式为

（4）通过计算，得到3203采空区一侧煤体的侧向支承压力分布。支承压力峰值位置距采空区约64m，支承压力峰值约为93MPa；距采空区0～19m为低应力区；距采空区19m～128m为支承压力影响区；距采空区128m以外为原岩应力区。

计算表明，3203采空区的侧向支承压力影响范围为128m，而3203采空区距3202工作面121m，故3202工作面皮带顺槽仍处于3203采空区影响范围内。因此，采空区主要影响3202工作面皮带顺槽，从而有可能造成皮带顺槽围岩变形量大，甚至造成巷道冲击。

3　结语

根据3202工作面实际回采过程发现，3202工作面皮带顺槽矿压显现明显，顶底板围岩变形严重，特别是推采到见方位置应力集中区段，矿压显现更为明显。根据此工作面垂直应力计算方法计算出的结果符合现场实际。对现场提前采取防范措施起到了重要的指导意义。

[1]潘俊锋,连国明,齐庆新等.冲击危险性厚煤层综放开采冲击地压发生机理[J].煤炭科学技术,2007(06).

[2]罗一忠.大面积采空区失稳的重大危险源辨识[D].长沙:中南大学,2005.

赵锋（1980—），男，山东科技大学，本科，自动化专业，助理工程师。