（采矿工程专业论文）深井开采矿压特征及围岩控制技术研究.pdf

摘要 摘要 本文以淮沪煤电公司丁集煤矿的1 2 6 2 ( 1 ) 综采工作面为工程背景，通过计算机 数值模拟和现场实测等研究方法，对深井开采的矿压特征和围岩控制技术进行了 研究，采用f l a c 3 d 对不同深度采场进行数值模拟，分析比较浅部与深部采场其 超前支承压力、水平应力、塑性区宽度与侧向支承压力等的变化特征；通过现场 实测获得深井开采工作面来压步距、支架一围岩适应性、超前支承压力分布等矿 压显现规律；利用力学方程对支承压力、煤壁破碎区扩展与采深关系进行理论分 析得出深井工作面煤壁片帮机理。根据以上深井开采矿压特征的研究提出了控制 采场冒顶、煤壁片帮及巷道变形等技术，为深井工作面的安全高效生产提供了指 导。 图6 8 表1 7 参考文献5 7 关键词：深井；采场；矿压特征；数值模拟；围岩控制 分类号：t d 3 5 3 ； 安徽理j = 人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k et h e12 6 2 ( 1 ) w o r k i n gf a c eo fh u a i h uc o a l - e l e c t r i c i t yc o m p a n yd i n g ii c o a lm i n ea st h e p r o j e c tb a c k g r o u n d t h o u g hm a n yr e s e a r c ht e c h n i q u e ss u c ha st h e c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n t ，a n a l y s i so fm i n i n gg r o u n d p r e s s u r e f e a t u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fs u r r o u n d i n gr o c ki nd e e pm i n i n g ，a n da d o p tf l a c 3 ut o c a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nd i f f e r e n td e p t hs t o p e ，a n a l y s eo na d v a n c es u p p o r t i n g p r e s s u r e 、h o r i z o n t a ls t r e s s 、w i d t ho fp l a s t i cz o n ea n dl a t e r a ls u p p o r t i n gp r e s s u r eo f s h a l l o w m i n i n gs t o p ec o m p a r i n gw i t hd e e pm i n i n g t h r o u g hf i e l dm e a s u r e m e n tc a m et oc o n c l u s i o n t h a tt h ea f f e c t e dz o n eo ft h el e a da b u t m e n tp r e s s u r e 、t h ea d a p t a b i l i t yo fs u p p o r ta n d s u r r o u n d i n gr o c k s 、i n i t i a ls t a g er o o fw e i g h t i n gl e n 百hi nd e e pm i n e s a c c o r d i n gt ot h e m e c h a n i c a le q u a t i o n ，a n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u p p o r t i n gp r e s s u r e 、c r u s h i n g z o n eo fc o a lw a l la n dm i n i n gd e p t h ，c o n c l u s i o nt h a tt h em e c h a n i s mo fc o a lw a l lc a v i n gi n d e e pm i n i n g a c c o r d i n gt ot h o s em i n eg r o u n d p r e s s u r ef e a t u r ei nd e e pm i n i n g ，t h e np u t s f o r w a r dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fs t o p er o o ff a l l 、c o a lw a l lc a v i n ga n dr o a d w a y d e f o r m a t i o n ，p r o v i d eg u i d a n c ef o rs a f e t ya n dh i g he f f e c t i v ep r o d u c ti nd e e pm i n i n gs t o p e f i g u r e6 8 t a b l e17r e f e r e n c e5 7 k e y w o r d s ：d e e pm i n i n g ；w o r k i n gf a c e ；c h a r a c t e r i s t i c s o fg r o u n d p r e s s u r e ； s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 35 3 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：仁 魄 乒年 月量 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀垄王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 粒黻储摊书 导师签名：幺 签字b 期：口年易日吝b 签字日期：矿罗年莎月彦日 f i 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 中国是个煤炭大国，在我国的一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占的比 重约为2 3 ，2 0 0 7 年的全国煤炭产量为2 5 5 亿吨，由于全国对煤炭的需求量增加 迅速特别是电煤，缺口仍有6 0 0 0 万吨左右，新成立的国家能源局局长张国宝表示 在2 0 0 9 年要增加煤炭的产量，加紧审批一批大型煤矿的建设。我国正处于经济的 快速增长时期，一次能源生产量和消费量均超过世界总量的1 0 ；其中，煤炭生 产量和消费量约占世界的3 0 ，且我国是个贫油气富煤的国家，煤炭资源丰富， 但我国煤炭总储量的7 0 以上埋藏在6 0 0 m 以下h 3 ，更有2 9 5 0 0 万亿吨，埋藏在1 0 0 0 m 以下，占总储量的5 3 口1 ，煤炭资源从浅部开始开采，经过半个世纪的时间，浅部 资源日益枯竭，国内外都陆续进入深部资源的开采，煤矿深井开采是世界上大多 数主要采煤国目前与将来面临的亟待解决的问题。 率先进入深部开采是金属矿山，早在本世纪初，南非金矿的开采深度就已超 过2 0 0 0 m 。据不完全统计，国外开采超过千米的金属矿山有8 0 多座，其中南非就 有4 0 多座矿井开采深度超过1 0 0 0 m ，其中一半多已达2 0 0 0 - - 一3 0 0 0 m ，如埃兰兹兰 ( e l a n d s r a n d ) 金矿、斯坦总统( p r e s i d e n ts t e y n ) 金矿和博克斯堡( b o k s b u r g ) 金矿 等开采深度均已超过3 0 0 0 m ，而全世界开采深度最大的地下矿山一卡里顿维尔 ( c a r i t o n v i l l ) 金矿( 南非第三大金矿) 一的开采深度已超过4 0 0 0 m 。除南非以外， 加拿大、美国和印度等国非煤地下矿山的开采深度最大的也达到了2 0 0 0 3 0 0 0 m ， 如美国的加利纳( g a l e n a ) 银铅矿、加拿大的克来顿( c r e i g h t o n ) 镍矿和印度的钱皮 恩里夫( c h a m p i o nr e e f ) 金矿和科拉尔( k o l a r ) 金矿等h 1 。 建国初期统配煤矿产量中，约有4 0 是从深度2 0 0 m 以内的矿井中采出，而近 8 0 的煤炭是从深度为4 0 0 m 以内的矿井采出。国有重点煤矿的生产的矿井，目前 多数还是浅井和中深井，其百分比分别为5 0 0 8 和4 5 7 4 ，而深矿井仅占4 2 。 根据1 9 9 7 年初的统计，国有重点煤矿的生产矿井中，目前采深已超过一8 0 0 m 的矿 井中有2 5 处，其分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶、徐州、淮南和长 广等开采历史长的老矿区。据统计4 哪! ，目前我国许多矿区的开采深度都己超过 了6 0 0 m - - 8 0 0 m ，深度超过千米的矿井就有数十个，最大的开采深度己接近1 2 0 0 m 。 如沈阳矿务局彩屯煤矿( 1 1 9 7 m ) ，开滦赵庄煤矿( 1 1 5 9 m ) ，徐州张小楼煤矿( 1 l o o m ) ， 北票冠山煤矿( 1 0 5 9 m ) ，北京门头沟煤矿( 1 0 0 8 m ) 等。此外，新汶矿区的大部分煤 安徽理j i ：人学硕士学位论文 矿己进入深部开采，平均开采深度达一9 0 0 m 以上，如孙庄煤矿( i 0 5 5 m ) ，华丰煤矿 ( 1 0 7 0 m ) 。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我国将有更多煤矿进入1 0 0 0 m 以下深度开采。按采深统计口“扪，见表1 ，国有重点煤矿生产矿井多数是中深矿井， 其矿井接近4 7 ，深矿井的比重也增长到近2 4 ，并有5 0 1 的矿井采深超过1 2 0 0 m 。 今后的总发展趋势是浅井( 小于4 0 0 m ) 的数目将大为减少，中深矿井( 4 0 0 一8 0 0 m ) 的数目明显增加，深矿井( 8 0 0 - - - - 1 2 0 0 m ) 的数目成倍增长，并将出现更多的特深矿 井( 大于1 2 0 0 m ) ，矿井的平均开采深度也将进一步增大至6 3 0m 左右。 随着矿井开采逐渐向深部发展，在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体， 进入深部后转化为高应力软岩，矿压显现强烈，巷道位移显著增大，支架损坏严 重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难，深部采场与巷道围岩稳定性控制 已成为煤矿开采面临的重大课题之一，引起了世界各国采矿界的高度重视。另外 深部高地压导致冲击地压危险加大，瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问 题，因此，深井开采问题是采矿界面临的一个重要课题哺3 。 丁集煤矿是由淮沪煤电公司投资建设的大型煤矿，设计年生产能力5 o m t ， 2 0 0 7 年1 2 月2 6 同建成投产。1 2 6 2 ( 1 ) 为丁集矿的首采面，采深在一9 0 0 m 左右属于 深井开采，深部开采工作面支架工作阻力大，煤壁片帮严重，回采巷道在回采期 间变形量大、难支护，一直是困扰煤炭工业发展的关键性问题，因此，研究其矿 压显现的特征问题意义重大。 本文以丁集煤矿工作面1 2 6 2 ( 1 ) 作为工程背景，利用数值模拟、现场实测等 方法研究深井开采矿压显现特征及围岩控制技术，指导首采工作面及类似条件工 作面的安全高效生产。 1 2 国内外研究概况及发展动态 1 2 1 深部工作面顶板运动理论研究现状 深部开采起步较晚，针对深部采场的理论研究大多基于以下基本的矿压理论。 由俄国学者m m 普罗托吉亚阔诺夫在对大量巷道顶板破坏情况观察的基础 上提出来的自然平衡拱假说。由德国人哈克( w h a c k ) 和吉罩策尔( c t g i l i t z e r ) 于 1 9 2 8 年提出的压力拱假说n 2 1 钔。由德国的施托克( k s t o k e ) 于1 9 1 6 年提出的悬臂梁 假说，后得到英国的弗罩德( i f r i e n d ) 、前苏联的格尔曼等的支持u 引。由前苏联 库兹涅佐夫于1 9 5 0 , - - 1 9 5 4 年提出铰接岩块假说。由比利时学者a 拉巴斯于2 0 世纪 5 0 年代初几乎与铰接岩块假说在同一时期提出的预成裂隙假说，假塑性梁是此假 2 - 1 绪论 说中的主要组成部分。我国学者在总结铰接岩块假说及预成裂隙假说的基础上， 以及在大量生产实践及对岩层内部移动进行现场观测的基础上，于2 0 世纪7 0 年代 末8 0 年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，从而发展了上述有关砌体梁 力学模型假说n2 l 。解放以来，我国对煤矿开采岩层和破坏研究进入更高层次和实 用阶段研究。山东科技大学宋振骐院士在深入研究分析了国内外的有关采场上覆 岩层运动和破坏理论后，提出了具有代表性的“传递岩梁”学说，也称之为“以 采场上覆岩层运动为中心”的矿压理论。钱鸣高院士和缪协兴领导的课题组根据 多年对顶板岩层控制的研究与实践，在8 0 年代中后期提出了岩层控制的关键层理 论。在“砌体梁 和“传递岩梁 理论的基础上，通过大量现场观测、实验室和理 论研究，基于“岩层质量的量变引起老顶结构形式质变 的观点，姜福兴提出了老 顶存在类拱、拱梁和梁式3 种基本结构形式的拱梁结构理论口副。 国内外学者也对深部采场矿压特征进行了专门的研究： 早在2 0 世纪8 0 年代初，国外已经开始注意对深井问题研究。1 9 8 3 年，苏联的 权威专家就提出对超过1 6 0 0 m 的深矿井的进行专题研究。当时的西德还建立了特大 模拟试验台，专门对1 6 0 0 m 深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究。1 9 8 9 年岩 石力学学会曾在法国专门召开“深部岩石力学”问题国际会议，并出版了相关的 专著。一些有深井开采矿山的国家，例如，美国、加拿大、澳大利亚、南非、波 兰等，政府、工业部门和研究机构密切配合。集中人力和财力紧密结合深部开采 相关理论和技术开展基础问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合，从 1 9 9 8 年7 月开始启动了一个“d e e pm i n e 的研究计划，耗资约合1 3 8 亿美元，旨 在解决深部的金矿安全、经济开采所需的一些关键问题。加拿大联邦和省政府及 采矿工业部门合作开展了为期1 0 年的两个深井研究计划。西澳大利亚大学在深井 开采方面也进行了大量工作嘲1 。 原苏联c h 科米萨罗夫为了确定矿山压力显现参数随开采深度增加而变化 的规律性，对深井( 罗斯托夫矿务局) 范围内的矿山地质条件作了研究，总结了不 同深度煤层顶板和底板的垂直位移与采深之间的关系畸副。原西德学者g e v e r li n g 通过数值模拟计算，得到了原岩应力与开采深度之间的关系；原西德埃森采矿研 究中心还对深部开采在采场周围及底板岩层中的应力分布规律进行数值模拟计 算。曲华和张殿振做的关于深井难采煤层上行开采的数值模拟哺3 l 。 杜计平与苏景春教授n 踟等对煤矿深井开采的矿压显现及其控制的研究。谢和 平4 1 针对深部资源开采诱发的工程灾害与基础科学问题和温度压力耦合作用下深 部岩石流变模型本构进行了研究。蒋金泉教授采用正交梁近似计算方法b 羽，计算 3 安徽理上大学硕士学位论文 各种支承条件下老顶的初次垮落步距，并分析了倾角、边界条件及采空区形状对 来压步距的影响。王作棠博士还利用板模型的m a r c u s 修正解7 | ，提出了老顶初次 来压步距的计算预测方法。戴兴国教授眵踟等又利用极限分析方法给出了来压步距 计算公式，分析中考虑了载荷动态的影响，但仍局限于刚性支座。缪协兴博士首 次对采场老顶初次来压时的结构稳定性进行了较为深入的研究，研究中利用了光 弹试验、梁的理论和几何分析方法，得出了对称块体挤压接触面高度、水平力等 参数的计算公式，并给出了以极限下沉量。为指标的结构稳定性判据。 1 2 2 深井回采巷道控制理论研究现状 原西德和前苏联对深部开采的巷道矿压及其控制的研究较为突出，西德侧重 于深井巷道矿压控制实用技术的研究，前苏联侧重于巷道控制理论的研究。 前苏联采用盯，( 其中仃。为岩石的单轴抗压强度，厂为上覆岩层容重) 作为 指标来评价深井巷道的稳定性，将巷道分为稳定( o 2 深井丌采矿爪特征数值横拟研究 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根 掘抗拉强度准则( d ，2 q ) 判断岩体是否产生拉破坏。 摩尔一库仑塑性模型所涉及的岩、十体物理力学参数包括：体积模量b 、剪切 模量s 、内聚力c 、内摩擦角 密度d ，抗拉强度p ，其中，b 和s 是由岩、十 体的弹性模量e 和泊松比u 确定的。 s = 面而e ( 2 - 2 )2 n + ”1 占： 墨 3 ( 1 2 h ) ( 2 3 ) 模型高取7 78 m ，止向长度取2 0 0 m ，倾斜长度取l o o m ，工作面上覆岩层平 均容重取2 4 x 1 0 4 k n m ，模型上部采用应力边界，其他的采用同支边界条件。 模型的网格划分，如图3 所示。 表l 岩石力学参数 t a b l e lt h e m e c h a n i c a lp a r a m e m r o f r o o k 层位层厚，m密度剪切模量体积模茸抗拉强度内聚力内摩擦 k , m 。 船p a e v p a 衔啊 老顶1 l 2 6 4 67 o24 2 684 8 直接砸2 3 6 i 5809 5 煤层 261 4 0 0l d50o 10 83 5 直接底6 o2 4 3 0 2 l6 0l0 515 6 老底 2 1 37 m 豳i l 抖。 洲爿 _ 目 l 哺lt 净。 一 圈3 数值模型同格图 f 1 9 3 c h a r t o f t h en u m e r i c a l g r i d 安徽理 人学砸十学位论文 2 3 数值模拟结果与分析 2 31 采场前方超前支承压力分布规律 分为四种采深( 一6 0 0 m ，一8 0 0 m ，9 0 0 m ，一1 0 0 0 m ) ，其中一9 0 0 m 为丁集矿首采面 平均采深，分析工作面推进9 m 、4 0 m 、l o o m 、15 0 m 。工作面前方超前支承压力 分布规律，模拟结果如图4 图7 所示。 f 1 ) 工作面推进9 m 采深为一6 0 0 m 时，在煤壁前方约6 8 m 处产生晟大集中应力，最大应力集中 系数为2 4 ，显著影响区为o 1 6 m ； 采深为一8 0 0 m 时，在煤壁前方约6 8 m 处产生最大集中应力，最大应力集中 系数为21 8 ，显著影响区为o 2 0 m , 采深为9 0 0 m 时，在煤壁前方约6 l o m 处产生昂大集中应力，最大应力集 中系数为2 0 9 ，显著影响区为0 2 2 m ； 采深为1 0 0 0 m 时，在煤壁前方约8 l l m 处产生最大集中应力，最大应力集 中系数为2 0 ，显著影响区为0 2 4 m 。 ( 町采深_ 6 0 0 m 磊i ，。 雾霎翌巨：煮蓦蓦蓦三 釜釜i i 募画壬i 甬司 i 麓裂| 墓! 星：薹兰竺 鳖i 一 ( c ) 采深9 0 0 m 糯 i 黼 f m 采深- 8 0 0 m 睡囊 麟 ( d ) 采深- 1 0 0 0 m 囤4 工作面推进9 m ，工作面前方垂直应力分布 一1 2 一 2 深井开采叫压特征数值模拟研究 f 1 9 4 t h ev e a i c a lo 帆鹞w h e n i m p e l l i n 9 9 m i n 疗。眦o f t h e w o r k f a c e 推进 一震；麓6 ( ) ( ) m 一震i x 9 0 0 m 十果深m n i 一采深f ) l 5 0 辩4 o废逵j j81 0 1 52 0 2 53 03 54 04 5 5 56 ( 距r ：1 f ：丽目! 离( i i i ) 图5 工作面推进9 m 后，工作面超前支承压力分布 f i g5t h ea d v a n c es u p p o r tp r e s s u r e w h e n i m p e l l i n 9 9 m i n w o r k f a c e ( 2 ) 工作面推进4 0 m 采深为一6 0 0 m 时，在煤壁前方约6 8 m 处产生最大集中应力，最大应力集中 系数为33 9 ，显著影响区为o l s m ； 采深为8 0 0 m 时，在煤壁前方约6 8 m 处产生最大集| | 1 应力，最大应力集中 系数为3 0 3 ，显著影响区为o 2 0 m ： 采深为9 0 0 m 时，在煤壁i j 订方约8 l o m 。处产生强大集中应力，最大应力集 中系数为2 9 ，显著影响区为0 3 6 m ： 采深为1 0 0 0 m 时，在煤壁前方约8 l l m 处产牛最大集中应山，最大应力集 中系数为28 3 ，显著影响区为0 3 6 m ，见图6 。 _ l 、：、i 聪 麓 瞎i ；器 n ) 采深- 6 0 0 m ( b ) 采深- $ o o m 安徽理 大学硕士学位论文 ，。一 一 。苴 糕 e ， l 卷撩 蕈 。品：譬。l i 藏西卜一 ( c ) 采深- 9 0 0 m d ) 采深- 1 0 0 9 m 图6t 作面推进4 0 m ，工作面前方垂直应力分布 f 嘶t h e v e r t i c a ls t r e s s w h e n i m p e l l i n 9 4 0 m i n f r o n t o f t h e w o r k f a c e 推进1 f 如 一震沭6 0 0 1 1 1 _ 一震f 苯9 0 0 一最：簟l ( 一采溉r ( m m 8 0 瓣 n ol581 0 1 52 0 2 53 03 54 0 们5 56 0 距1 ：作而距离( i n ) 田7 工作面推进柏m 后工作面超前支承压力分布 f i 9 7 t h ea d v a n c 2s u p p o r t p r e s s u r e w h e n i m p e l l i n 9 4 0 m i n f r o n t o f t h e w o r k f a c e ( 3 ) 工作面推进1 0 0 m 时 采深为- 6 0 0 m 时在煤壁前方约6 9 m 处产生最大集中应力，最大应力集中 系数为36 4 ，显著影响区为0 3 4 m ； 采深为8 0 0 m 时，在煤壁前方约7 1 0 m 处产生最大集中应力，最大应力集 中系数为35 3 显著影响区为0 3 6 m ： 采深为- 9 0 0 m 时，在煤壁前方约8 1 l m 处产生擐大集中应力，最大应力集 中系数为3 2 9 ，显著影响区为0 3 6 m ： 采深为1 0 0 0 m 时，在煤壁前方约8 l l m 处产生最大集中应力，最大应力集 中系数为32 1 显著影响区为0 4 2 m ，见图8 。 2 棵扑开采矿胍特祉数值模拟研究 ( a ) 采滚 0 0 m 篇雪丁二二 i 卜一= 二_ 7 _ 一一叶r 邵 蓍雕 车嚣2 ：= ：卜上- 珲鬲疆* 惜刿 ( b ) 采深8 0 0 m 。：# 一盛i 龇 瓣 ( c ) 采深- 9 0 0 m( d ) 采深1 0 0 0 m 围8 工作面推进i o o m ，工作面前方走垂直应力分布 f i g8 t h ev e r t i c a ls t r e s s w h e n i m p e l l i n g i o o m i n f r o n t o f l h e w o r k f a c e “ ，苴1 一震源) f 】m 最f w ) ( ”_ 一震，笨1 【) 一采，筇h f 岫f i 。 8 0 i ；。6 。0 善。2 0 0 l68i ( 11 52 0 2 53 03 5 4 04 5 5 56 06 距1 。作面距离( m ) 固9 工作面推进l o o m 后，工作面超前支承压力分布 f i 9 9 t h ea d v a n c es u p p o r tp r e s s u r e w h e n i m p e l l i n g l o o m i n w o r k f a c e 窝 笋。溢笔兰。甏錾藿一 要耱彗j|震錾 习藕一 一 _一一襄要一 一 一一墨孽煮置一一裔 雾碧 邋鼙塑 安徽理大学硕十学位论文 h 1 工作面推进1 5 0 m 采深为6 0 0 m 时，在煤壁前方约6 9 m 处产匕最大集中应山，最人应山集中 系数为36 0 显著影响区为0 3 2 m ； 采深为8 0 0 m 时，在煤壁前方约7 9 m 处产生最大集中应力，最大应力集中 系数为3 2 8 显著影响区为o 4 0 m ； 采深为9 0 0 m 时，在煤壁前方约8 l o r e 处产生堆大集中应力，最大应力集 中系数为3 1 5 ，显著影响区为0 3 4 m ； 采深为1 0 0 0 m 时，在煤壁前方约8 l l m 处产生最大集中应力，最大应力集 中系数为31 5 ，显著影响区为o 4 0 r n ，见图l o 。 娄粪 三三羔 黼g # 茹亡曩! 粥翔五正：蠹蜀i 詹鬯g 黧囊i 兰耋攀隘睡差鹭 蓄群 逸鬯基幽 鬻蓬辱捌聪糍鬻鞠 眶 = * l t o l 一_ j i 鼹强i 二一二_ 1 蓉豳 篱鏊睦堋盟基础汹 篓l 0 ) 采深- 9 叩m( d ) 采潍1 0 0 0 m 囤1 0 工作面推进1 5 0 m ，工作面前方垂直应力分布 f i 9 1 0 m v e r t i c a ls l ”s s w h e n i m p c n t 1 5 0 m i n f i o n t o f l i t e w o d d a c e 1 6 - 2 深井开采矿压特征数值模拟研究 图11 工作面推进1 5 0 m 后，工作面超前支承压力分布 f i g11t h ea d v a n c es u p p o r tp r e s s u r ew h e ni m p e l l i n g15 0 m i nw o r k f a c e ( 1 ) 从表2 中归纳的数据可以看出，随着工作面的推进，工作面前方超前支 承压力最大应力集中系数先呈增大趋势，直到工作面推进1 0 0 m 左右时，超前支 承压力最大应力集中系数达到最大，然后下降，并趋于某一个稳定值，如图1 2 所示。同时，可以看出，随着采深的增加，工作面超前支承压力最大应力集中系 数呈变小趋势。例如，当采深由6 0 0 m 增大到1 0 0 0 m 时，工作面推进1 0 0 m ，最 大应力集中系数由3 6 4 变化到3 2 l 。 ( 2 ) 从图1 3 及表2 可以看出，随着采深的不同，工作面推进到相同的距离， 超前支承压力显著影响范围呈先增大后缓慢下降，并趋于某一个稳定的值，在工 作面推进到1 0 0 m 左右，也就是工作面长度约一半的距离时，工作面超前支承压 力显著影响范围最大。采深在6 0 0 m 时，随着工作面的推进，超前支承压力显著 影响范围一般在1 6 - - 一3 4 m 范围内变化；采深在8 0 0 m 时，一般在2 0 - - 一3 6 m 范围内 变化；采深在9 0 0 m 时，一般在2 2 - 一4 0 m 范围内变化；采深在1 0 0 0 m 时，一般在 2 4 - - 一4 2 m 范围内变化。 随着采深的增加，超前支承压力峰值区离工作面的距离略有增加，但是增加 的幅度不是很明显，一般在6 1l m 范围内变化。 ( 3 ) 从图5 、图7 、图9 、图1 1 中可以看出，工作面超前支承压力分布随着工 作面推进而向前移动，并且工作面超前支承压力随工作面的推进距离的不同，分 布也有所不同。随着采深的增加，应力分布曲线不断上扬。在工作面推进1 0 0 m 时，超前支承压力分布范围和应力集中系数都是最大的。因此，在工作面回采的 过程中要特别注意这一特点。 1 7 安徽理r 人学坝f 。学托论文 表2 工作面推进不同距离不同开采深度时超前支承压力分布规律一览表 i 作1 l i i 挪超l j 支承m 力t 唯超河立乐胜力趟i 订立雁j h 力显并影响范 朵深( m ) 进距离( m )1 ：【 ( d )殳中系数峰仇i x ( m )崩( m ) 推进9 m 0 1 6 推进d o m 33 90 1 8 推进1 0 0 m 3 6 4 6 1 0o r 3 4 推进1 5 0 m 5 l _ 3 73 6 08 l io 3 1 推进9 m 4 09 96 4 8 推进4 0 m5 61 5 3 0 3 6 8 8 0 0 推进i o o m6 6 们 35 3 8 1 0o 3 6 推进1 5 0 m 6 i 6 832 88 1 10 3 2 推进9 m 4 34 z2 6 90 z 2 推进4 0 m 5 97 72 9 o 3 0 9 0 0 推进i o o m6 8o lo 4 0 推进1 5 0 m 6 68 13 1 58 1 1 推进9 i l i 推进4 0 m28 37 90 3 6 推进l o o m 7 56 432 i 推进1 5 0 m7 41 731 5 圈1 2 在不同采深条件下最丈应力蔓中系数变化曲线 f i g l 2 v a r i a t i o n a lc u t , # e s o f m a x i m a lc o n c e n t r a t 班ls c s sc o e f f i c i e n l i nd i f f e r e n t m i n i n g d e p t h 2 深外开采矿压特征数值模拟研究 固t3 在不同采深条件下，超前支承压力显著影响范围的变化曲线 f i g l 3 v a r i a t i o n a lc u r v e s o f t h e m a r k e d i n c i d e n c e o f a d v a n c es u p p o r ts t m s s i nz h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n t m i n i n gd e p t h 232 采场侧向应力分布规律 模拟上覆岩层充分采动后，分析工作面推进1 5 0 m 时，工作面后方l o r e 、2 0 m 、 4 0 m 、6 0 m 和8 0 m 共5 处的侧向垂直应力分布情况。 l 采深6 0 0 m ( 1 ) 工作面后方1 0 m c e , a t wo f s z z p m 口h 00 0 0 州0 g r - d n tc1 c o * o t f o n 譬黜：怒嬲黜：船 b1 40 0 0 0 e + 0 i ) 7 t o 一35 0 0 0 e + 0 0 7 i i - 3s 0 0 0 删0 7d 一30 0 0 0 洲7 l 一30 0 0 0 e 删0 725 0 0 0 e + 0 0 7 l 25 0 0 洲0 7 b - ：0 ( 1 0 0 e + 0 0 7 - ，0 0 0 0 e 帆7- 1s 口0 口e + 0 d 7 j - 1s 0 0 0 e 讹7t 10 0 0 0 e + 0 0 7 i 10 0 0 n e 0 n7 i o - 50 0 0 0 洲e i b c o gr o u pi n c m l l i 0m nu s a 图1 4 工作面后方$ 0 m 处侧向垂直应力分布 f i g l 4l a t e r a lv e r t i c a ls t r e s sb e h i n dw o r k f a c e1 0 m 朵t 袋- 6 0 0 m 时在工作面后方l o r e 处，侧向最大集中心力为4 59 m p a ，侧向 最人应力集中系数约为31 8 ，峰值区在煤层内深约4 5 m 的区域，集中应力的范 安徽理l ：_ 人学硕士学何论文 围较小；侧向支承压力沿侧向显著影响范围约为2 8 m ，有影响的范围约为6 8 m 。 ( 2 ) 工作而后方2 0 m 图1 5 工作面后方2 0 m 处向垂直应力分布 f i g l 5l a | e r a lv e r t i c a ls t e e s s b e h i n d w o r k 盘c e2 0 m 采深- 6 0 0 m 时，在工作面后方2 0 m 处，侧向最大集中应力为4 7i m p a ，侧向 最大应力集中系数约为32 7 ，峰值区在煤层内深约5 6 m 的区域，应力集中的范 围比工作面后方l o 处的应力集中范围略有增大：侧向支承压力沿侧向显著影响范 围约为3 2 m ，有影响的范围约为7 6 m 。 f 3 ) 工作面后方4 0 m c h n 沁。f s z z e 黼鲻鳃i 嚣 闰1 6 r 制e i l 目后方4 0 m 处侧向垂直应力分布 f i g l 6 l a t e r a lv e r t i c a ls t r e s sb e h i n d w o r k 缸e 4 0 m 采深- 6 0 0 m 时，在工作面后方4 0 m 处，侧向最大集中应力为5 6 2 m p a ，侧向 最大应力集中系数约为39 0 ，峰值区在煤层内深约6 8 m 的区域；侧向支承压力 沿侧向显著影响范围约为3 6 m ，有影响的范围约为g o m 。 ( 4 ) 工作面后方6 0 m 采深- 6 0 0 m 时，在工作面后方6 0 m 处，采空区的上覆岩层基本跨落，并充填 了采空区，沿侧向的最大嶷中应力约为6 3 $ m p a ，侧向最大应力集中系数约为 - 2 0 - 晰器器器器：誉器篓娶誉鬟船黧 o m；比h“hhb“ 蠢黪熊 2 深井开采矿压特祉数伉模拟研究 44 3 ，峰值区在煤层内深约8 9 m 的区域：删向支承压力沿侧向距离采空区显著 影响范m 约为4 4 m ，有影响的范围约为8 8 m 。 c o o t o f s 口 i 薹勰溉嬲黧 图1 7 工作面后方6 0 m 处侧向垂直应力分布 f i g l 7l a t e r a lv e r t i c a ls i m s sb e h i n d w o r k f a c e 6 0 m 5 ) 上作面后方8 0 m 揣甚品嚣。艚：裂“。 图1 8 工作面后方8 0 m 处侧向垂直应力分布 f i g l 8l a t e r a lv e m i c a ls t r e s sb e h i n dw o r k f a e e8 0 m j 乏 茗一6 0 0 m 时，在f 作砷】后方8 0 r n 处，采空区的e 覆岩层蕈奉跨落，并充填 了采空区，沿侧向的最大集中应力约为6 36 m p a ，侧向最大应山集中系数约为 4 4 1 峰值区在煤层内深约8 9 m 的区域；侧向支承压力沿侧向距离采空区显著 影响范 】4 约为4 4 m ，有影响的范围约为8 8 m 。 2 采深一8 0 0 m ( 1 ) 工作面后方l o m 采深一8 0 0 m 时，在工作面后方i o m 处，沿例向的最大应力集中应力约为 5 23 m p a ，删向最大应力集中系数约为27 2 ，峰值区存：煤层深约4 6 m ，侧向盘 安徽理l 大学硕士学何论文 承压力沿侧向距离采空区显著影响范围约为3 2 m 有影响的范围约为7 2 m i 蕤麟鞭嬲瓣 田1 9 工作面后方1 0 m 处侧向垂直应力分布 f i g l 9 l a t e r a lv e r e i c a ls ”e s s h e x a d w o r k f a c ei o m ( 2 ) 工作面后方2 0 m 鞣嚣跚糟：裂“ 围2 0 工作面后方2 0 m 处侧向垂直应力分布 f 1 9 2 0l a t e r a lv e n l c “s l f e s sb e h i n dw o r k 自c e2 0 m 采深- 8 0 0 m 时，在工作血后方2 0 m 处，侧向最大集中应力为5 73 m p a ，侧向 最大麻力集中系数约为29 8 峰值区在煤层内深约6 7 m 的区域，应力集中的范 围比工作面后方1 0 处的应力集中范围略有增大；侧向支承压力沿侧向显著影响范 闱约为3 6 m ，有蟛响的范围约为7 6 m 。 ( 3 ) 工作面后方4 0 m 采深- 8 0 0 m 时，在工作断后方4 0 m 处，侧向展大集中庶力为6 4 4 m p a 。侧向 最大应力集中系数约为3 3 5 ，峰值区在煤层内深约7 8 m 的区域；侧向支承压力 裾侧向显著影响范围约为3 6 m ，有影响的范围约为8 0 m 。 2 深井开采矿压特征数值模拟研究 聪嚣戮黼i 固2 i 工作面后方4 0 m 处州向垂直应力分布 f 啦! l 啦m lv e n l c a ls t r e s sb e h i n d w o r k f a c e 4 0 m ( 4 1 工作面后方6 0 m 采深8 0 0 m 时，在工作面后方6 0 m 处，采空区的上覆岩层基本跨落，并充填 了采空区，沿侧向的最大集中应力约为7 25 m p a ，侧向最大应力集中系数约为 37 7 峰值区在煤层内深约9 1 0 m 的区域：侧向支承压力沿侧向距离采空区显 著影响范丽约为4 8 m ，有影响的范围约为8 8 m 。 醛t 7 ”黧蠹l e * a 烈o ? t o - 7 篓o o o o 黧e * a o 图2 2 工作面后方6 0 m 处侧向垂直应力分布 f i 9 2 2l a t e r a lv e r t i c a ls e s sb e h i n dw o r k f a c e6 0 m ( 5 ) 工作i 自后方8 0 m 采深8 0 0 m 时，在工作面后方8 0 m 处，采空区的上覆岩层基本跨落，井充填 宜傲理【：人毕硕士学位论文 了采空区，沿侧向的攮大集中席力约为7 02 m p a 侧m 最大应力集中系数约为 36 5 ，峰值区在煤层内溧约9 l o m 的区域；侧向支承压力沿删向距离采窄区显 著影响范围约为4 8 m ，有影响的范围约为8 8 m 。 ：竺怒! 瓣：裂9 。 图2 3 工作面后方8 0 m 处铡向垂直应力分布 f i 9 2 3l a t e r a lv e r t i c a ls t l b e h i n dw o r k f a c e8 0 m 3 采深一9 0 0 m ( 1 ) 工作面后方l o m c 曲t o f s 2 2 - s 4 0 0 7 t o - s 麓瑟 围2 4 工作面后方i o t a 处铡向垂直应力分布 f i 醇4l a t e r a lv e r t i c a ls t r e 砒b e h i n dw o r k f a c el o m 采深9 0 0 m 时在工作面后方l o m 处，沿侧向的最大应力集中应力约为 5 4 9 m p a ，侧向最大应力集中系数约为25 4 峰值区在煤层深约6 8 m ，侧向支 承压力沿侧向距离采空区显著影响范围约为4 0 m ，有影响的范围约为8 0 m 。 ( 2 ) 工作面后方2 0 m 2 4 - 2 渫井卅采矿雁特自艟女值模拟岍究 采深9 0 0 m 时在工作面后方2 0 m 处侧向最大集中应力为6 23 m p a 但0 向 最大应力集中系数约为28 8 ，峰值区在煤层内深约7 8 m 的区域，侧向支承压力 沿侧向显著影响范围约为4 2 m ，有影响的范隔约为8 2 m 。 揣：僦“鬻：裂“。 图2 5 工作面后方2 0 m 处侧向垂直应力分布 f j 9 2 5l a t e r a lv e r t i c a ls t r e s sb e h i n dw o r k f a c e2 0 m ( 3 ) 工作面后方4 0 m 黑= ：嚣? 艚：嚣“。 囤2 6 工作面后方4 0 m 处侧向垂直应力分布 f i 9 2 6l a t e r a lv e r t i c a ls t r e s sb e h i n d w o r k f a c e 4 0 m 采深- 9 0 0 m 时，存工作面后方4 0 m 处，侧向最大集中血力为6 93 m p a ，侧向 擐大应力集中系数约为32 0 ，峰值区在煤层内深约8 9 m 的区域：侧向支承压力 沿侧向显著影响范围约为4 4 m ，有影响的范围约为8 4 m 。 ( 4 ) 工作面后方6 0 m 宜磺理1 人一 硕f 学停论文 采深9 0 0 m 时仵t f l