1、收稿日期：作者简介：武泉林（1987-） ，男，工学硕士，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。基金项目：山东科技大学 2011-2012 年度研究生科技创新基金资助项目（YCA110401 ）千 米 深 井 工 作 面 推 进 步 距 与 采 动 应 力 分 布 影响 规 律 试 验 研 究武泉林, 李 安 民 ， 张 林 良（山东科技大学矿山灾害预防与控制省部共建重点实验室，山东 泰安，271000）摘要：本文以开滦矿业集团赵各庄煤矿为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法对埋深在-1100m 以下的 2337E 工作面的采动应力分布规律进行了对比研究和分析，得到了千米深井条件下
2、采动应力变化与工作面推进步距的“有限协同效应”，即随工作面推进步距的增加，超前支承压力峰值、影响范围、峰值位置距煤壁距离都会有相应增加，但不会超过其极限值，这一研究结论对于千米深井条件下工作面的安全生产和支护设计都有一定的指导意义。关键词：千米深井；数值模拟；支承压力；推进步距；有限协同效应分类号：TD 321 文献标识码 AThe experimental Study on effect regularity between advance step distance and mining-induced stress distribution of 1000m deep shaft wor
3、king faceWU QUAN-lin, LI AN-min ,ZHANG LIN-liang(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control; Shandong University of Science and Technology; Taian 271000; China)Abstract: Basing on the engineering condition of Zhao Gezhuang coal mine which belongs to Kai Luan mining group, the author in t
4、his paper adopts theoretical analysis, numerical simulations and field measurement methods making a stress distribution contrast research and analysis on the 2337 E working face mining which was buried under 1100 meters. By doing this research, the author gets “limited-synergy effect“ which explains
5、 the relationship between stress change and working face propelling progress under the condition of 1,000 kms depth. With the increase of propelling progress in the working face, advanced abutment pressure peak, impact area and peak position from coal-wall distance will have a corresponding increase
6、 while the increase will not surpass its limit. Therefore, the research results are significant for safety production and supporting design of working face with the condition under kilometer depth.Keywords：kilometer deep shaft；numerical simulation；bearing stress；advance step distance limited- synerg
7、etic effect随着我国浅部煤矿资源的日益减少和枯竭，而我国的煤炭资源埋深在 1000m 以下的为2.95 万亿吨，因此开采深度由浅部向深部的转化成为必然趋势。据统计我国煤矿开采深度正在以 812m/a 的速度继续增加 1，很多矿井已经进入深部开采，如淮南、新汶、兖州等地开采深度部分已达 1000m2，可以预计在未来 20 年内我国很多煤矿将进入到 1000m 到1500m 深度。随着开采深度的增加，煤爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性动力学灾害现象日趋增多 3，严重影响了深部资源的安全高效开采。而在深部开采中的动压显现规律与浅部开采有着很大差距，如何正确掌握深井开采的动压显现规律对我
8、们如何进行采场支护、巷道支护有着重要的指导意义。开滦赵各庄矿第十二水平 2337E 工作面开采深度在-1100m 左右，属于典型的深部矿井，本文以赵各庄矿为例开展数值模拟研究。1 地质概况开滦赵各庄矿第十二水平 2337E 工作面东部为原生煤层，西部已开采顶分层，煤层顶板依次为 5.26m 厚的黑色腐泥质粘土岩、 1.99m 厚的深灰色粘土岩、 1.46m 厚灰色细砂岩、0.15m 厚的小煤线、8m 厚的灰白色中砂岩及 0.88m 厚的灰色粉砂岩，底板为灰色细砂岩和灰色粉砂岩（见图 1） 。煤体强度较高，f 值达到 2.0 以上。颜 色 及 岩 石名 称灰 色 粉 砂 岩灰 白 色 中 砂岩煤
9、 线灰 色 细 砂 岩深 灰 色 粘 土岩黑 色 腐 泥 质粘 土 岩煤灰 色 细 砂 岩灰 色 粉 砂 岩 柱 状 图 层 厚 岩 性 特 征 描 述0.80.15461.952610.3262.60泥 质 胶 结 ， 白 质 条 痕 ， 参 差 断 口 ， 含 植 物 化 石高 岭 土 胶 结 ， 易 风 化 ， 含 长 石 钙 质 胶 结小 煤 线泥 质 胶 结 ， 含 长 石灰 白 色 条 痕 ， 贝 壳 断 口 ， 含 棱 铁 黄 铁 矿 结 核 ，海 百 合 化 石 及 鲜 石 脉致 密 均 一 ， 油 亮 光 泽 ， 贝 壳 断 口 ， 褐 色 条 痕 ，含 棱 铁 结 核第 1
10、2层 煤泥 质 胶 结 ， 含 植 物 化 石泥 质 胶 结 ， 贝 壳 断 口 ， 灰 白 条 痕 ， 含 黄 铁 矿图 1 煤层柱状图2 数值模拟研究及现场数据实测2.1.1 数值计算模型及参数根据赵各庄矿提供的现场地质资料和工作面超前支承压力的观测数据，采用 Flac 2D数值模拟软件模拟 2337E 工作面超前支承压力的分布情况。基于弹塑性力学的计算角度考虑下，煤层开挖前，在模型左侧留设 30 米煤柱以便施加位移约束。对模型两侧施加水平方向位移约束，限制其水平位移，垂直方向自由；底边则限制垂直方向位移，水平方向自由。在走向方向上，所建模型尺寸为 120m45.5m，共 5460 个网格
11、，网格大小 1m 1m。计算时采用 Mohr-Coulomb 塑性屈服准则 4。所建模型在满足计算模型的准确性的前提下，考虑计算的简便性，对岩性相近或厚度较小的岩层进行了合并，共划分六种岩层属性，分别为粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粘土岩、煤，其中煤层厚度 10.32 米，共分三层，上层及下层煤较软，厚度各约为 3.1 米，取为一种岩性；中层煤较硬，厚度约在 4.1 米，取为另一种岩性。各岩层参数如表 1 所示。表 1煤岩岩石力学参数表岩性 C(MPa) t(MPa) () G(GPa) K(GPa) (kg/m3)中砂岩 7.2 6 34 25 36.31 2500粘土岩 3 1.79 37.5
12、20.97 33.33 2530中层煤 3 1.79 25 20.97 33.33 1300细砂岩 7.4 6.76 36.4 26.23 38.10 2820粉砂岩 7.2 4.13 32 23.58 35.80 2620上、下煤 1.2 1 18 5.64 14.71 13002.1.2 模拟方案因为受到采空区顶板压力的影响，所以本文对工作面推进不同长度时的超前支承压力进行模拟，即分别在工作面推进 6m、12m 、18m、24m、30m、34m 处进行工作面超前支承压力模拟。模拟结果如下：开 挖 6米下煤垂直应力/MPa510234537495614973815936单 元 格 /个（a）
13、 推进步距 6m05123054437596371983715903单 元 格 /个下煤垂直应力/MPa 开 挖 12米（b） 推进步距 12m开 挖 18米49537619738159371059单 元 格 /个下煤垂直应力/MPa0125304（c） 推进步距 18m开 挖 24米59637189510375单 元 格 /个下煤垂直应力/MPa023540（d） 推进步距 24m单 元 格 /个下煤垂直应力/MPa051205340569738159371059137开 挖 30米（e） 推进步距 30m0102030405060646872768084889296100104108112
14、116120单 元 格 /个下煤垂直应力/MPa开 挖 34米（f） 推进步距 34m图 2 不同推进步距时采动应力数值模拟云图与应力曲线2.1.3 计算结果及分析在工作面不同推进长度时，数值模拟结果分析如下：（1）在工作面推进 6m 时，超前支承压力峰值为 37.85Mpa，超前煤壁约 7m，超前影响范围约 40m，内应力场峰值 37.85Mpa，内应力场范围约至煤壁 5m 处；（2）在工作面推进 12m 时，超前支承压力峰值为 39.42Mpa，超前煤壁约 10m，超前影响范围约 47m，内应力场峰值 39.42Mpa，内应力场范围约至煤壁 10m 处；（3）在工作面推进 18m 时，超前
15、支承压力峰值为 40.22Mpa，超前煤壁约 15m，超前影响范围约 55m，内应力场峰值 36.21Mpa，内应力场范围约至煤壁 5m 处；（4）在工作面推进 24m 时，超前支承压力峰值为 44.01Mpa，超前煤壁约 16m，超前影响范围约 60m，内应力场峰值 37.15Mpa，内应力场范围约至煤壁 4.6m 处；（5）在工作面推进 30m 时，超前支承压力峰值为 49.81Mpa，超前煤壁约 16m，超前影响范围约 60m，内应力场峰值 38.12Mpa，内应力场范围约至煤壁 4.6m 处；（6）在工作面推进 34m 时，超前支承压力峰值为 50.41Mpa，超前煤壁约 16.5m，
16、超前影响范围约 60m，内应力场峰值 39.82Mpa，内应力场范围约至煤壁 4.7m 处。综合分析上述各数据我们可以发现，随着工作面的不断向前推进，最大支承压力峰值以及峰值超前煤壁的距离呈现逐渐增大的趋势，且超前支承压力影响范围也随之扩大。但是最大支承压力、峰值超前煤壁距离以及影响范围随着推进步距的增加而逐渐趋于稳定。最大支承压力稳定在 50MPa 左右，超前煤壁距离为 16m，支承压力影响范围约为 60m。内应力场的应力峰值呈现先增大后减小在增大的变化趋势；内应力场范围也是先减小后增大，然后再减小的趋势，最后维持在 4.6m 左右。2.2 现场实测研究为了得到工作面回采过程中的超前应力值，
17、我们在皮带顺槽距离工作面 80m 处依次安装了四组 5m 深的钻孔应力计，工作面每推进 2m 记录一次应力值，得到了随工作面推进的支承压力分布图，如图 3 所示。1#应 力 计010203040506065 53 41 33 27 20 9距 煤 壁 距 离 /m观测值/MPa2#应 力 计010203040506071 61 51 43 35 27 16 7距 煤 壁 距 离 /m观测值/MPa3#应 力 计010203040506066 54 45 36 27 21 12 3距 煤 壁 距 离 /m观测值/MPa4#应 力 计010203040506065 56 47 37 30 24 1
18、8 12 6距 煤 壁 距 离 /m观测值/MPa图 3 工作面支承压力分布图随着工作面的不断推进，4 个钻孔应力计基本如实的反映了工作面的超前支承压力的变化特征。钻孔的受力情况如表图 3 所示。基于对图 3 分析的前提下，本文对 4 个钻孔的受力情况做了如表 2 所示的初步汇总。由表 2 可知工作面前方最大支承压力约为为 50Mpa，距离煤壁约 17m 处，内应力场最大值为 32Mpa，超前支承压力影响范围为 6065m。经以上分析，现场实测的数据与模拟结果基本吻合。表 2 工作面超前支承压力统计项目名称 峰值应力/MPa距工作面距离/m内应力场峰值/MPa超前影响范围/m1#应力计 48.
19、21 17.4 32.7 652#应力计 49.89 16.4 29.7 63.63#应力计 52 17 33.3 64.24#应力计 50 17.3 28.7 59.23 结论（1) 在千米深井开采过程中，采动应力变化与工作面推进步距存在“有限协同效应” ，即随工作面推进步距的增加，超前支承压力峰值、影响范围、峰值位置距煤壁距离都会有相应增加，但不会超过其极限值，这对矿井的支护优化设计提供了一定的理论指导；（2) 由于深埋矿井较之浅埋矿井有更大的原岩应力，因此在受工作面采动影响的矿压显现上深井与浅井有较大的区别，主要表现在深埋矿井的超前支承压力峰值较大，有时是浅埋矿井的数倍，所以在巷道支护时
20、需要更大的支护强度才能保证回采巷道的稳定；（3）与浅埋矿井相比，深埋矿井的超前支承压力影响范围更大，因此工作面超前支护的长度也相应增加；（4）深埋矿井对于浅埋矿井来说，内应力场的峰值更大，影响范围也大，在端头支护时需要更大的支护强度。参考文献：1 何满潮，谢和平，彭苏萍等.深部开采岩体力学研究J.岩土力学与工程学,2005,24(16):28042812.2 李海燕，刘端举，孙庆国等.千米深井软岩巷道破坏机理及支护技术研究J山东大学学报，2009，39(4).3 陈炎光，陆士良，徐永圻.中国煤矿巷道围岩控制M.徐州:中国矿业大学出版社，1994.4 陈玉民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例.北京:中国水利水电出版社，2008.
