1、专题关键层对采动应力影响的研究不同关键层位置与厚度对采动应力演化的数值模拟研究摘要：根据工作面实际情况，运用udec软件建立工作面开采数值模拟模型，研究了不同关键层位置与厚度对工作面超前支承压力与采空区后方垂直应力演化的影响。结果表明，数值模拟得出关键层的影响与理论计算的结果基本一致，关键层与煤层垂距越大，工作面超前应力峰值与应力集中系数的增加越平缓；关键层厚度越大，工作面超前应力峰值与应力集中系数的增加越剧烈，可为采场岩层控制提供依据。关键词：关键层位置；关键层厚度；应力演化；数值模拟目前关于采场超前支承压力的研究，国内外不少专家学者提出了许多研究方法，并取得很多研究成果。开采后的上覆岩层所
2、形成的结构，由“煤壁-已冒落的矸石”支撑体系来支撑，只是在下位岩层中才可能由“煤壁-工作面支架-采空区已冒落矸石”支撑体系支撑。又由于上覆岩层的结构大部分是半拱式的结构，因此煤壁一端几乎支承着回采工作面空间上方悬露岩层（指由于离层而导致悬露）的大部分重量1，工作面前方采场应力进行重新分布，形成“横三区”( 卸压区、应力集中区和原始应力区）2。由德国学者v.海克和R.旧特采尔特及苏联学者F许普鲁特提出的压力拱理论，较好的解释了工作面围岩支承压力的存在，较好的说明了工作面支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因3。根据 Winkler 假设，基础的反力与地基的沉陷成正比。采场上覆岩层的挠曲下沉决定支承
3、压力的分布，利用带状载荷在半无限弹性体中传播的弹性理论，便可求得复合关键层条件下工作面前方煤体支承压力4。但以上研究大多是将上覆岩层简化为均布载荷而进行的研究，还很少有学者对不同关键层条件下的采场超前及采空区后方的支承压力及应力峰值位置进行系统研究。笔者采用数值模拟的研究手段，对不同关键层位置及不同关键层厚度条件下的采场超前及采空区后方的支承压力以及应力峰值位置进行了分析。1.工作面概况煤层厚度为3m，底板为软岩，厚度为12m，关键层之下的煤层顶板为软岩，上覆岩层总厚度为200m，煤体沿推进方向的长度为600m。2.模型建立对工作面实际情况进行适当简化，运用udec软件进行模拟分析，模拟不同关
4、键层位置与厚度条件下随着工作面推进距离的增加，采空区后方垂直应力及工作面前方超前应力的演化情况。模型概况：以煤体起始位置与煤层顶板的交点为坐标原点，推进方向为x轴正向，垂直向上指向地表为y轴正向。关键层与煤层的间距以6倍、8倍、10倍、12倍、15倍煤层厚度（即18m、24m、30m、36m、45m）进行讨论，此时关键层厚度为20m保持不变。关键层与煤层间距为6倍煤层厚度模型示意图如图2-1所示。 关键层厚度以4倍、6倍、8倍、10倍、12倍煤层厚度（即12m、18m、24m、30m、36m）进行讨论，此时关键层与煤层间距为15m保持不变。关键层厚度为4倍煤层厚度模型示意图如图2-2所示。围岩
5、物理力学性质参照实际岩体力学特性和参数确定。节理特性考虑采动影响，围岩本构关系采用摩尔-库仑模型。岩层的块度依据岩层厚度和采动岩体特点进行划分。模型中的力学参数性质见表1与表2。表1块体力学参数表 块体力学参数岩层容重d/kN.m-3体积模量 K/Gpa剪切模量 G/Gpa摩擦角 f/(o)粘结力 C/Mpa抗拉强度 t/Mpa软 岩24343031关键层243040403010煤 层13342020.5表2节理力学参数节理力学参数岩层法向刚度jkn/Gpa切向刚度jks/Gpa粘结力jc/Mpa摩擦角jf/(o)抗拉强度 jt/Mpa软 岩622100关键层302015300煤 层62110
6、03.数值模拟过程与结果分析用生成空区域来模拟工作面采煤，用强度较弱的松散介质模拟充填采空区，工作面开切眼位置为x=150m处，模拟过程中，工作面每推进10m，布置测线y=-1.5m，记录并保存该测线上每隔5m的点出的垂直应力，直到推进距离达到300m为止，因为此时已达到充分采动，继续推进，采场应力分布与峰值情况变化不大。将udec保存的数据调取出来输入至excel，通过处理可得到随工作面推进采空区后方垂直应力与超前应力的详细变化曲线。下面进行详细说明。3.1不同关键层位置关键层与煤层距离为6倍采高 图3-1 关键层与煤层间距为6倍采高时应力变化曲线关键层与煤层距离为8倍采高 图3-2 关键层
7、与煤层间距为8倍采高时应力变化曲线关键层与煤层距离为10倍采高 图3-3 关键层与煤层间距为10倍采高时应力变化曲线关键层与煤层距离为12倍采高 图3-4 关键层与煤层间距为12倍采高时应力变化曲线关键层与煤层距离为15倍采高 图3-5 关键层与煤层间距为15倍采高时应力变化曲线综合分析图3-1图3-5，可以得出如下规律：（1） 不同关键层位置条件下，工作面超前支承压力峰值均随着工作面推进而增加。（2） 关键层距离煤层越远，工作面超前支承压力峰值增加得越平缓，即更容易达到充分采动。（3） 关键层距离煤层越远，对应测点位置的工作面超前支承压力峰值越小。如关键层与煤层间距为6倍采高时工作面超前支承
8、压力峰值在449m处达到34MPa，关键层与煤层间距为10倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处为29.26MPa，关键层与煤层间距为15倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处为28.35MPa。3.2不同关键层厚度关键层厚度为4倍采高 图3-6 关键层厚度为4倍采高时应力变化曲线关键层厚度为6倍采高 图3-7 关键层厚度为6倍采高时应力变化曲线关键层厚度为8倍采高 图3-8 关键层厚度为8倍采高时应力变化曲线关键层厚度为10倍采高 图3-9 关键层厚度为10倍采高时应力变化曲线关键层厚度为12倍采高 图3-10 关键层厚度为12倍采高时应力变化曲线综合分析图3-6图3-10，可以得出
9、如下规律：（1） 不同关键层厚度条件下，工作面超前支承压力峰值均随工作面推进而不断增加。（2） 关键层厚度越大，对应测点位置的工作面超前支承压力峰值越大；当关键层厚度达到一定程度后，其对工作面的影响会稳定。如关键层厚度为4倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处为29.48MPa，关键层厚度为6倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处为31.59MPa，关键层厚度为10倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处达到34.36MPa，关键层厚度为12倍采高时工作面超前支承压力峰值在449m处达到32.47MPa。4.结论通过以上研究可以发现，关键层对采动应力演化影响明显。关键层距离煤层越远，
10、工作面超前支承压力峰值越小，即关键层对采动应力影响越小。关键层厚度越大，工作面超前支承压力峰值越大，即关键层对采动应力影响越显著；当关键层厚度达到一定程度时，其对采动应力的影响趋于稳定。参考文献1 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制M.徐州：中国矿业大学出版社，2003.11.2 李守国.采场应力变化模拟分析J.煤矿安全，2011，1003-496X 10-0135-04.3 马其华. 长壁采场覆岩“O”型空间结构及相关矿山压力研究.山东科技大学，2005.4 潘宏宇.复合关键层下采场压力及煤层瓦斯渗流耦合规律研究.西安科技大学，2009.5 王建树，刘军，曹广远，黄炳香.双突软煤层大采高综采
11、面支承压力分布规律研究 J.煤炭工程，2010，( 2)：4042.6 张正斌.工作面推进过程中支承压力的发展规律研究J.山东煤炭科技， 2010，( 4)：1861877 于海勇.综采开采的基础理论. 北京：煤炭工业出版社，19958 王省身.矿井灾害防治理论与技术. 徐州：中国矿业大学出版社，19899 . 中国煤炭建设协会.煤炭工业矿井设计规范. 北京：中国计划出版社，200510 岑传鸿、窦林名.采场顶板控制与监测技术. 徐州：中国矿业大学出版社，200411 蒋国安、吕家立.采矿工程英语. 徐州：中国矿业大学出版社，199812 李位民.特大型现代化矿井建设与工程实践. 北京：煤炭工
12、业出版社，200113 综采设备管理手册编委会.综采设备管理手册. 北京：煤炭工业出版社，199414 中国煤矿安全监察局.煤矿安全规程. 北京：煤炭工业出版社，200615 朱真才、韩振铎.采掘机械与液压传动. 徐州：中国矿业大学出版社，200516 洪晓华.矿井运输提升. 徐州：中国矿业大学出版社，200517 中国统配煤矿总公司物资供应局.煤炭工业设备手册. 徐州：中国矿业大学出版社，199218 章玉华.技术经济学. 徐州：中国矿业大学出版社，199519 郑西贵、李学华.采矿AutoCAD2006入门与提高. 徐州：中国矿业大学出版社，200520 王德明.矿井通风与安全. 徐州：中国矿业大学出版社，200721 杨孟达.煤矿地质学. 北京：煤炭工业出版社，200022 刘刚.井巷工程.徐州：中国矿业大学出版社，200523 中国煤炭建设协会.煤炭建设井巷工程概算定额（2007基价）.北京：煤炭工业出版社，200824 林在康、李希海.采矿工程专业毕业设计手册. 徐州：中国矿业大学出版社，2008
