采场支承压力分布规律的数值模拟研究_司荣军

文章编号：1000－7598－(2007) 02―0351―04

采场支承压力分布规律的数值模拟研究

司荣军，王春秋，谭云亮

（山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室，青岛 266510）

摘 要：采用FLAC-3D软件模拟了在煤层开采过程中采场支承压力的动态变化、依据数值模拟结果，拟合了支承压力集中系数与工作面推进距离的关系曲线。通过对比分析模拟结果，得出了工作面推进距离和长度及煤层的厚度和埋藏深度对支承压力集中系数和支承压力峰值点距工作面距离的影响程度，进而总结出采场支承压力分布规律，这些规律可为采场巷道维护、防治煤与瓦斯突出和顶煤可放性评价提供依据。

关 键 词：支承压力；数值模拟；工作面长度；工作面推进距离；煤层厚度 中图分类号：TD 35 文献标识码：A

Numerical simulation of abutment pressure distribution laws of working faces

SI Rong-jun, WANG Chun-qiu, TAN Yun-liang

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract: The dynamic movement of the working face abutment pressure during the coal mining is simulated with the FLAC-3D simulating software. And the curve about the relation between the abutment pressure concentrated coefficient and working face advanced distance is fitted according the simulating results. Contrasting simulation results, the relationships between abutment pressure concentrated coefficient and the distance which distant S meter from the rip with factors such as working face advanced distance, face length, coal seam thickness and buried depth are obtained. Then gained the attribution laws of abutment pressure. Those laws can offer gist for roadway maintenance, coal and gas outburst and caving evaluation of top coal. Key words: abutment pressure; numerical simulation; face length; face advanced distance; thickness of coal

1 引 言

在煤层开采过程中支承压力引起的采场围岩变形对巷道维护和回采工作面落煤有直接影响，且对冲击地压、煤与瓦斯突出以及顶板的完整性、支架受力大小等也有直接影响，因此采场支承压力分布规律是矿山压力控制的重要研究内容[1]。目前确定支承压力分布规律的方法，主要包括巷道变形量观测和支架载荷测量及应力测量法，实验室模拟和数值模拟及弹性简化计算[2-6]，用实测和物理模拟的方法研究采场支承压力分布规律既有可靠性，又有局限性。本文采用目前较先进的快速拉格朗日分析（FLAC-3D）方法对采场支承压力分布规律进行数值模拟研究。

原理模拟岩土或其他材料的三维力学行为，将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法。由于采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，故可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点[7-9]，因而FLAC-3D适于模拟煤层大范围开采过程支承压力的分布规律。

2.2 数值模拟计算模型及方法

根据济三煤矿地质条件建立计算模型，煤层倾角为6°，抗压强度为15 MPa。本次数值模拟的计算模型：煤层的埋深分别为400，500，600，700，800 m；煤层的厚度分别为2，4，6 m；工作面长度

2 数值模拟软件与模拟方法

2.1 数值模拟软件

FLAC-3D采用三维显式拉格朗日有限差分法

收稿日期：2005-03-21 修改稿收到日期：2005-08-19

基金项目：矿山灾害预防控制教育部重点建设实验室开放基金项目（No. MDPcob11）资助。

作者简介：司荣军，男，1973年生，博士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制、瓦斯煤尘爆炸理论与防治技术研究。E-mail:sirj73@163.com。

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分别为150，200 m；工作面的推进总长度为300 m。分别对工作面的长度、推进距离、煤层埋深和煤层厚度进行耦合计算。

本次数值模拟的方法：工作面推进到15 m之前煤层的开挖用空（null）单元来模拟；初次来压之前直接顶的垮落用空（null）单元来模拟，不参与计算；初次来压完成后，直接顶、老顶再次垮落时，老顶开始触矸，开挖和垮落的空间用摩尔-库仑单元模型来模拟，用其充填空间，参与计算。

y0=0.809 92+0.015(H−H0)s

A1=

H0

(2) s0H

Hs⎛2⎞

−h⎟ (3) 1.52⎜

H0s0⎝33⎠

t1=

Hs

(7.653 2h+126.971 2) (4) H0s0

式中：h为煤层厚度（m）；s为工作面的长度（m），

s0 =200 m；H为煤层的埋藏深度（m），H0 =500 m。

图1 支承压力集中系数与工作面推进距离关系 Fig.1 The relation between the abutment pressure

concentrated coefficient and working face

advanced distance

3 数值模拟计算结果分析

当工作面推进不同距离时，分别提取支承压力峰值、支承压力峰值点距工作面的距离S，再由支承压力峰值计算出支承压力集中系数。 3.1 支承压力集中系数变化规律

图1分别为不同工作面长度和煤层厚度下，支承压力系数随工作面推进距离的变化关系，图中H1～H5分别表示煤层埋深400，500，600，700，800 m，各分图中图名中“/”前数据为工作面长度，杠后数据为煤层厚度。由图1可以看出，(1) 工作面推进过程中，当工作面推进15 m时直接顶开始垮落，产生应力卸载，此时支承压力集中系数下降。工作面初次来压完成后，随工作面向前推进，由于煤层开挖空间变大而引起采区外煤柱支撑的上覆岩体重量逐渐增加，从而引起煤柱上方的支承压力峰值逐渐增大，支承压力集中系数逐渐增大，但工作面推进单位距离引起的支承压力峰值的增大量逐渐变小，其变化趋势曲线趋于平缓。(2) 煤层厚度对支承压力峰值和支承压力集中系数影响较大。对比图1(a)～1(c)，同等条件下煤层愈厚，支承压力峰值、支承压力集中系数愈小。(3) 采场整体稳定情况下煤层埋深愈深，支承压力峰值愈大，而支承压力集中系数愈小。(4) 对比图1(a)～1(d)，工作面的长度对支承压力集中系数有较大的影响。同等条件下工作面长度愈长，支承压力峰值和支承压力集中系数愈大。(5) 应用数学软件对以上曲线进行拟合，在工作面长度、煤层厚度和埋藏深度一定的情况下，支承压力集中系数与工作面推进距离有如下关系：

⎛⎛−x⎞⎞

y=y0+A1⎜1−exp⎜⎟⎟⎜⎟ (1) t⎝1⎠⎠⎝

式中：x为工作面推进距离（m）；y0、A1、t1与工作面的长度、煤层埋深和煤层厚度有关，其求解公式

如下：

第2期 司荣军等：采场支承压力分布规律的数值模拟研究 353

3.2 支承压力峰值点距工作面距离S的变化规律

图2为不同工作面长度和煤层厚度下支承压力峰值点与工作面距离S随工作面推进距离的变化关系，图中H1～H5分别表示煤层埋深400，500，600，

值为22.5 m，说明煤层厚度对支承压力峰值点距工作面距离S的影响较大。同等条件下煤层越厚，S越大。(2) 以上4个图均呈现出煤层埋深越深，支承压力峰值点距工作面距离S越大的趋势。(3) 对比图2(a)与图2(d)，工作面长度对支承压力峰值点距工作面距离S影响不大，两个工作面的S值相差很小。(4) 工作面推进过程中，当工作面推进15 m时直接顶开始垮落，而由于直接顶的垮落，煤层承载的上覆岩体量增加，使得煤壁附近的煤层及岩层进入塑性状态，承载能力下降，使得支承压力峰值点距工作面距离反而增大。工作面初次来压完成后，随工作面向前推进，由于支承压力峰值增大使集中点附近的煤体和岩层进入塑性状态，其承载能力降低，而使支承压力峰值点位置后移，即支承压力的峰值点距工作面的距离逐渐增大。初次来压完成后周期来压对支承压力峰值点位置的影响较小，通常在几米范围内。

700，800 m，图名中意义工作面长度/煤层厚度。

图2 S与工作面推进距离关系

Fig.2 The relation between the “S” and working face

advanced distance

4 结 论

通过对采场支承压力分布规律的数值模拟得出以下结论：

(1) 工作面的推进距离与支承压力集中系数有如式（1）的关系，而初次来压完成后，支承压力峰值点距工作面距离S随工作面推进距离变化不大。

(2) 煤层厚度和埋藏深度都对支承压力集中系数和支承压力峰值点距工作面距离S有较大影响。

(3) 工作面长度对支承压力集中系数有较大影响，而对支承压力峰值点距工作面距离S影响不大。

(4) 本文通过数值模拟得出的采场支承压力分布规律，可以确定支承压力大小和峰值位置，为采场巷道维护、防治煤与瓦斯突出和顶煤可放性评价提供依据。

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由支承压力峰值点距工作面距离S与工作面推进距离的关系看出，(1) 对比图2(a)～2(d)，煤厚在

2 m时S最大值为12.5 m，而煤厚为6 m时S最大

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