大采高工作面不同采深条件下采动应力分布数值模拟研究

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1、大采高工作面不同采深条件下采动应力分布数值模拟研究兖煤菏泽能化有限公司，山东菏泽274400摘要：论文以赵楼煤矿1307综放工作面工程地质条件为研究背景，采用数值模拟方法[1],对工作面推进过程中不同埋深条件下大采高工作面采动应力分布进行数值模拟研究，并分析了埋深对于超前支承压力的关键参数影响特征，为深部大采高工作面的支护设计和采场维护提供了理论参考。关键词：大釆高；埋深；釆动应力；支承压力1数值模型赵楼煤矿1307综放工作面平均幵采深度-961m,地面标高43.2m，煤层厚度1.4m〜8.6m，平均5.7m。数值模型尺寸150&tim

2、es;300m，煤层顶板距上部边界124m,煤层厚度5.5m，底板岩层厚度取20.5m。根据地层综合柱状图，建立数值模型。对于木次数值模拟计算，考虑到水平应力对于采动应力重分布的影响，取a=140,b=0.78,H=800m,因此，在模型初始平衡计算时取侧压系数0.955,即在模型左右边界施加20.6Mpa的水平应力，垂直加速度为9.8m/s2。模拟采用位移控制边界条件的方法，左右边界的x方向速度为零，固定底部边界，上边界作为自由承载面。2模拟方案及步骤模拟方案：在采高为6m条件下，变换初始模型中的采深分别为600m、800m、1000

3、m,进行数值模型试验；模型开挖步骤：模拟过程中回采工作面每次开挖步距ΔL=10m，工作面连续推进∑L=200m,左右边界煤柱分別为50m和100mo3模拟结果及分析3.1采深600m时，大釆高工作面釆动应力分布特征通过模拟计算得到，随着煤壁的循环推进，工作面在模拟开挖第3步(L=30m)吋出现初次来压，之后分别在50m、80m、100m、120m、140m出现周期来压，平均周压步距在25m。对于开采过程垂直应力的分析主要在于应力集中区的发展变化。L=10m吋，切眼两侧形成了极为对称的应力集中区(本文称为“主集中区”)

4、，呈“双肺状”，通过单元格差分法可以确定两应力集中区均位于距煤壁7.5m位置，这与之前分析的“矩形屈服区”恰好吻合。L=30m吋，应力集中区随工作面向前同步移动，但在超前工作面的应力集中区上方顶板岩层中又出现另一集中区，距煤层顶板6m,从数值模拟应力图例数轴上可以看出新的集中区应力集中程度相对较低，本文称为“次应力集中区”。L=40m吋，次应力集中区范围明显增大，部分应力等值线与主集中区等值线闭合，L=50m吋顶板周期来压，老顶断裂，垂直应力次集中区随即消失。这说明，次集中区的产生与老顶的悬空、弯曲、下沉和断裂有直接关系。按照宋振骐院士

5、的“以上覆岩层运动为中心”的传递岩梁理论[2〜3],初次跨落后老顶岩层可是为•一端嵌入煤体另一端悬于采空区的悬臂梁，随着工作面的推移，老顶悬露面积逐渐增大，嵌入煤体内部的一端所承受的弯矩将逐渐增大，煤体内部相应地发生弹性能积聚，表现在垂直应力方面即为次生应力集中区。老顶断裂后，老顶嵌入端由固支变为简支，弯矩消失，煤体内储存的弹性能释放，次生应力集中区消失，这种显现在随后L=40m、50m和140m、150m的周压前后都有所体现。3.2采深800m时，大采高工作面采动应力分布特征当采深为800m吋，通过数值模拟表明，工作面在模拟开挖第3步

6、吋出现初次来压，并分别在L=50m、70m、90m、110m、130m、150m出现周期来压，平均周期来压步距20mo与埋深为600m时相比单次周期来压在时间上提前一个开挖步，平均周期来压步距缩短了5m。对不同推进步距吋工作面垂直应力分布图的对比分析可以看出，工作面在开采初期切眼两侧同样会出现“双肺状”应力集中区，距煤壁距离约为8m,且切眼侧峰值略大于工作面侧。较埋深600m吋应力集中程度更高，且距煤壁距离增大0.5m。同样，在工作面前方顶板岩层中会有“应力次集中区”出现，随着顶板岩梁的悬、冒冇规律的交替，与采深为600m条件下形成的次

7、集中区应力集中程度更高，等值线包络范围更广。3.3采深1000m吋，大采高工作面采动应力分布特征通过对埋深1000m的冋采工作面数值模拟研究发现，对于垂直应力方面，其变化规律基本与前两方案基本一致，但应力集中区等值线较前二者情况下较为密集，说明应力集中程度有增高趋势，应力集中范围也有所增大。通过数值模拟划分切面可以生产不同采深条件下工作面超前支承压力的位置、影响范围、峰值大小及应力集中系数，见表1.4结论通过对采深为600m、800m、1000m条件下工作面开采过程的数值模拟，可以对比发现以下规律：（1）垂直应力变化规律。随着采深的增大

8、，应力集中程度升高，应力集中范围增大，峰值距煤壁距离渐远。在推采期间，工作面前方顶板岩层中会出现“应力次集中区”，并且次集中区应力集中程度和范围大小会伴随老顶的来压冇规律的增人或减小或者消失。（2）垂直位移