工作面支承压力分布的研究

摘 要：为了研究采场支承压力，运用 FLAC3D软件建立工作面开采数值模拟模型，研究了工作面前支承压力分布形态及应力峰值的位置，通过与理论计算、现场实测的结果相比较，得出数值模拟、理论分析、现场实测的结果是基本一致的，提出了采场前支承压力的计算方法，对井下工作面超前支护距离设计具有借鉴意义。

关键词：数值模拟；应力峰值；声波测试；支承压力

中图分类号：TD76文献标识码：A

文章编号：1672-1098(2011)04-0041-05

The Evaluation of abutmentstress on Longwall

YE Li-ping

(School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract:In order to study abutment stress in mining field, numerical simulation model of coal mining by using FLAC3D was established. Distribution of abutment stress in front of longwall and the position of stress peak appearance were studied. The results showed that the results of numerical simulation, theoretical analysis and in-situ measurement are basically the same. The method of calculation of abutment stress in front of longwall was proposed, which provides reference to advanced support distance design of longwall in deep mines.

Key words:Numerical simulation；stress peak；sonic wave test；abutment stress

采场前支承压力是影响采煤工作面上、下顺槽合理支护的主控因素，目前关于采场前支承压力的研究，国内外很多专家学者提出了很多研究方法，取得了很多研究成果，但是大多是采用单一的研究手段，还很少有学者对采场前支承压力及应力峰值位置进行系统研究，本文采用数值模拟、理论计算、现场实测的综合研究手段对采场前支承压力以及应力峰值位置进行分析。此举对煤矿通风安全高效开采具有重要的指导意义。

1 工作面概况

山西晋城煤电集团某煤矿工作面埋深-583 m，工作面走向长度1 840 m、工作面宽度240 m、煤层平均厚度2.3 m，老顶为中砂岩，灰白色，硅质胶结，缓波状层理，局部缺失，平均厚度5.29 m。直接顶为泥岩深灰色，泥质结构，含较多植化碎片，见滑面，易碎，局部含砂质，平均厚度为3.55 m。

2 采场前支承压力峰值位置理论

煤炭采出的过程就是应力重新分布的过程，假设煤炭看作连续的弹性体；以弹性地基基础为力学模型（见图1）。

其中：EI为老顶的刚度； v为采煤工作面的推进速度；k为地基基础的刚度，MN／m； q为老顶上的均布力；m为单位长度老顶的质量，kg；x为采场前方距离工作面距离，m；为工作面宽度，m；σy为煤层所受的支承压力。

根据该矿的具体条件取EI=6.5×104，K=150 MN/m，V=12 m/天，C=4 MPa，φ=34°，将公式导入南方CASS软件，可以得到工作面中部采场前支承压力的三维形态（见图2）。

图2 工作面中部前支承压力分布三维形态

由图2可以看出，采场前支承压力的分布形态与数值模拟的结果基本相似，并且由式（4）可以计算出应力峰值位于工作面前方12.42 m处，这与数值模拟的结果是十分相近的。

3 采场前支承压力数值模拟

3.1 模型的建立

根据该矿的钻孔柱状，采用FLAC3D软件进行模拟分析采场围岩力学特征，研究随着工作面开采采场前支承压力的分布情况。模型的单元总数为150 000个，节点总数为158 450个（见图3）

图3 三维数值计算模型网格图

3.2 数值模拟过程与结果分析

本数值模拟用生成空单元来模拟工作面采煤，用强度较弱的松散介质模拟充填采空区，并且在模拟过程中使用FALC自带的hist命令对相应的单元进行跟踪记录，用于记录工作面前方的支承压力。然后将数据导入origin即可生成相应的曲线。当工作面推进到不同位置时采场围岩垂直应力分布以及工作面采场前支承压力分布如图4、图5所示。

(a)工作面推进50 m围岩走向垂直应力

(b)工作面推进100 m围岩走向垂直应力

(c)工作面推进150 m围岩走向垂直应力

由图4~图5可以看出，随着工作面推进距离的增大，采场围岩的卸压范围逐渐增大；在工作面处以及工作面开切眼位置处形成较高的应力集中，在采空区内由于采用了松散介质充填，应力有所恢复，但是整体还是低于原岩应力的， 此外采场前支

承压力分布曲线5-c可以看处应力峰值位置在工作面前方14.43 m位置处。

4 现场实测

4.1 测试原理

弹性模量与介质的强度之间存在相关性，岩石的密度越大，声波在其中的传播速度越大；岩石的密度越小，声波传播的速度越小。所以通过测试可以看出声波在不同介质中的传播速度；通过转换电路可以检测出应力增高的范围(见图6)。

图6 声波测试的转换电路原理图

声波在工作面煤体中传播时，波速为

VP=s／t

式中：s发射器与接收器之间的距离，m； t为到达接收器的时间，s。将各测点所得的波速值与切眼距离(l)波速 (VP)关系曲线，根据曲线中的波速变化划分原岩应力区、应力增高区、应力降低区。其中双孔测试的原理如图7所示。

图7 双孔声波测试示意图

4.2 测点布置

在工作面布置 3组测站， 1#孔距工作面70 m， 1#～3#孔的总距离为 50 m， 相临各孔间距为25 m。钻孔布置距煤帮1.2 m，发射孔与接收孔要尽量对准。孔直径为 43 mm,煤壁孔深为 12 m（见图8）。

图8 探测钻孔布置图

4.3 测试结果

本测试采用双孔声波探测，在试验巷道按照图8布置3个测站，随着工作面不断向前推进，换能器钻孔距工作面不断靠近，然后将每一处波速值连成曲线，声波测试结果如图9~图10所示。

L/m

1. 1#钻孔；2. 2#钻孔；3. 3#钻孔

图9 距离工作面距离与波速关系曲线

t/μs

图10 K1、K2 、K3处声时图

由于纵波在不同物质中的传播速度和煤岩体的弹模E、泊松比μ相关，在应力较高的区域煤体受到集中应力的作用，使得弹性模量E变大、 密度

变大。因此通过检测钻孔中出现最大波速的位置

就可以确定应力峰值的位置，由图7关系曲线可以看出，在距离工作面14 m、17.5 m、20 m的位置处出现波速最大值，调出这三处的声时图（见图8）可以看出，波形基本平滑，没有较大的起伏，可以判断应力峰值位置基本为三者的平均值为X=17.16 m，这与理论计算、数值模拟的结果是基本一致的。

5 结语

1) 由理论计算、数值模拟、现场实测结果相比较，三者相互印证，证明了三者结果的可靠性。说明声波测试在现场可以使用，在工作面双孔声波测试在科研上以及工程上具有一定的推广意义。

2）根据支承压力的分布形态可以看出，支承压力的应力影响范围在前方80 m左右，为超前支护距离提供了依据，应力峰值位置基本在前方15 m左右。

3）由理论分析的三维视图可以看出，采场前方存在支承压力的作用对工作面上、下顺槽断面的大小有一定的影响，并且由式(4)可以看出采场的支承压力与所在层位岩层的岩石力学参数有关，现场巷道应当尽量布置在岩性较好的地方。

参考文献：

［1］ 李伟利，张学会.动载作用下采场前支承压力分布特征研究［J］.煤炭技术，2010，12(3)：104-108.

［2］ 徐芝纶.弹性力学（上册)［M］.第3版.北京：高等教育出版社，1990：361-371.

［3］ 王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理［J］.煤炭学报，2007，32(8)：85-88.

［4］ 谢广祥，常聚才，华心祝.开采速度对综放面围岩力学特征影响研究［J］.岩土工程学报， 2007，29(7)：963-967.

［5］ 谢和平，陈忠辉.高等岩石力学［M］.北京：科学出版社出版社，2004：105-108.

(责任编辑：何学华，吴晓红)