第３１卷第４期 ‘ 安徽理工大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３ｌ Ｎｏ．４ ２０１ １年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｄｅｃ．２０１ｌ 工作面支承压力分布的研究 叶丽萍 （安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南２３２００１） 摘要：为了研究采场支承压力，运用ＦＬＡＣ３Ｄ软件建立工作面开采数值模拟模型，研究了工 作面前支承压力分布形态及应力峰值的位置，通过与理论计算、现场实测的结果相比较，得出 数值模拟、理论分析、现场实测的结果是基本一致的，提出了采场前支承压力的计算方法，对井 下工作面超前支护距离设计具有借鉴意义。 关键词：数值模拟；应力峰值；声波测试；支承压力 中图分类号：ＴＤ７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１０９８（２０１１）０４—００４１—０５ Ｔｈｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｕｔｍｅｎｔｓｔｒｅｓｓ ｏｎ Ｌｏｎｇｗａｌｌ ＹＥ Ｌｉ—ｐｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ Ａｎｈｕｉ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ｆｉｅｌｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＬＡＣ３ Ｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｌｏｎｇｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｅａｋ ａｐ— ｐｅａｒａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｎ— ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｌｏｎｇｗａｌｌ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｎｇｗａｌｌ ｉｎ ｄｅｅｐ ｍｉｎｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓ ｐｅａｋ；ｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｅｓｔ；ａｂｕｔｍｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ 采场前支承压力是影响采煤工作面上、下顺槽 波状层理，局部缺失，平均厚度５．２９ ｍ。直接顶为泥 合理支护的主控因素，目前关于采场前支承压力的 岩深灰色，泥质结构，含较多植化碎片，见滑面，易 研究，国内外很多专家学者提出了很多研究方法， 碎，局部含砂质，平均厚度为３．５５ ｍ。 取得了很多研究成果，但是大多是采用单一的研究 手段，还很少有学者对采场前支承压力及应力峰值 ２采场前支承压力峰值位置理论 位置进行系统研究，本文采用数值模拟、理论计算、 煤炭采出的过程就是应力重新分布的过程，假 现场实测的综合研究手段对采场前支承压力以及 设煤炭看作连续的弹性体；以弹性地基基础为力学 应力峰值位置进行分析。此举对煤矿通风安全高 模型（见图１）。 效开采具有重要的指导意义。 ｑ １工作面概况 山西晋城煤电集团某煤矿工作面埋深一５８３ ｍ， 工作面走向长度１ ８４０ ｍ、工作面宽度２４０ ｍ、煤层平 均厚度２．３ｍ，老顶为中砂岩，灰白色，硅质胶结，缓 图１采动支承压力力学模型 收稿日期：２０１１—０８—１３ 作者简介：叶丽萍（１９８８一），女，安徽桐城人，在读硕士，研究方向为煤矿安全评价及控制。 ４２ 安徽理工大学学报（自然科学版） 第３ｌ卷 Ｅ， ＋ｍ Ｏｔ２嘶 ） （１） 由已知条件可知在煤壁暴露面侧可知，在坐标 原点 ＝Ｏ处的弯矩和剪力为 （ｏ）＝一 １ ｚ （２） ｒ（ｏ）＝ｑｌ （３） 结合文克列尔弹性基础梁的理论，联合方 程（１）～（３）可得 ＝ｙｋｙ（ｘ）＝ｋｅ一 （Ａｃｏｓｆ￣２ ＋Ｂｓｉｎ卢２ ）＋ｑ （４） 其中参数为 Ａ＝ 一 一 。 一 ３ｆ￣／３ 一 １ １ ７２ 一一一 ２ １ 一 一 Ｂ＝ 一 一２ １ ２ ３Ｊ９ 一 ３ｌｆ：￣一 １＝ 丽 ２＝ 其中：口为老顶的刚度； 为采煤工作面的推 进速度； 为地基基础的刚度，ＭＮ／ｍ；ｑ为老顶上 的均布力；／７／，为单位长度老顶的质量，ｋｇ；ｘ为采场 前方距离工作面距离，ｍ；为工作面宽度，ｍ； 为 煤层所受的支承压力。 根据该矿的具体条件取Ｅｌ＝６．５×１０ ，Ｋ＝ １５０ＭＮ／ｍ，Ｖ：１２ｍ／天，Ｃ＝４ＭＰａ， ＝３４。，将公式 导人南方ＣＡＳＳ软件，可以得到工作面中部采场前 支承压力的三维形态（见图２）。 图２工作面中部前支承压力分布三维形态 由图２可以看出，采场前支承压力的分布形态 与数值模拟的结果基本相似，并且由式（４）可以计 算出应力峰值位于工作面前方１２．４２ ｍ处，这与数 值模拟的结果是十分相近的。 ３采场前支承压力数值模拟 ３．１模型的建立 根据该矿的钻孔柱状，采用ＦＬＡＣ３Ｄ软件进行 模拟分析采场围岩力学特征，研究随着工作面开采 采场前支承压力的分布情况。模型的单元总数为 １５０ ０００个，节点总数为１５８ ４５０个（见图３） ２５０ ２０ｏ １５０ ｌ０ｏ ５Ｏ Ｏ 图３三维数值计算模型网格图 ３．２数值模拟过程与结果分析 本数值模拟用生成空单元来模拟工作面采煤， 用强度较弱的松散介质模拟充填采空区，并且在模 拟过程中使用ＦＡＬＣ自带的ｈｉｓｔ命令对相应的单元 进行跟踪记录，用于记录工作面前方的支承压力。 然后将数据导入ｏｒｉｇｉｎ即可生成相应的曲线。当工 作面推进到不同位置时采场围岩垂直应力分布以及 工作面采场前支承压力分布如图４、图５所示。 安徽理工大学学报（自然科学版） 第３１卷 承压力分布曲线５一ｃ可以看处应力峰值位置在工 作面前方１４．４３ ｒｆｌ位置处。 ４现场实测 ４．１测试原理 一１ｏ０—５Ｏ ０ ５Ｏ ｌｏ０ １５０ ２０ｏ ２５Ｏ ３００ 距煤壁距离／ｍ １．工作面上部；２．工作面中部；３．工作面下部 （ａ）工作面推进５０ ｍ工作面前支承压力 一１００ —５Ｏ ０ ５０ ｌｏｏ １５０ ２００ 至煤壁距离／ｍ １．工作面上部；２．工作面中部；３．工作面下部 （ｂ）工作面推进１００Ｉｌｌ工作面前支承压力 一１５０—１００ —５０ ０ ５０ １ｏ０ １５０ ２ｏ０ 至煤壁距离／ｍ １．工作面上部；２．工作面中部；３．工作面下部 （ｃ）工作面推进１５０ ｒｆｌ工作面前支承压力 图５不同推进位置采场前支承压力垂直应力曲线 由图４一图５可以看出，随着工作面推进距离 的增大，采场围岩的卸压范围逐渐增大；在工作面 处以及工作面开切眼位置处形成较高的应力集中， 在采空区内由于采用了松散介质充填，应力有所恢 复，但是整体还是低于原岩应力的，此外采场前支 弹性模量与介质的强度之间存在相关性，岩石 的密度越大，声波在其中的传播速度越大；岩石的 密度越小，声波传播的速度越小。所以通过测试可 以看出声波在不同介质中的传播速度；通过转换电 路可以检测出应力增高的范围（见图６）。 图６声波测试的转换电路原理图 声波在工作面煤体中传播时，波速为 ＝ｓ／ｔ 式中：ｓ发射器与接收器之间的距离，ｍ；￡为到达 接收器的时间，Ｓ。将各ｉ贝０点所得的波速值与切眼 距离（Ｚ）波速（ ）关系曲线，根据曲线中的波速变 化划分原岩应力区、应力增高区、应力降低区。其 中双孔坝０试的原理如图７所示。 双孑Ｌ测试穿透法 ［］＝＝＝＝＝二二二＝＝＝＝＝［ 发射孔 声波 接收孔 图７双孔声波测试示意图 ４．２测点布置 在工作面布置３组测站，１＃孔距工作面７０ｍ， １｝≠～３＃孔的总距离为５０ｍ，相临各孔间距为２５ｍ。 钻孔布置距煤帮１．２ ｍ，发射孔与接收孑Ｌ要尽量对 准。孔直径为４３ｍｍ，煤壁孔深为１２Ｉｌｌ（见图８）。 第４期 叶丽萍：工作面支承压力分布的研究 ４５ 变大。因此通过检测钻孔中出现最大波速的位置 就可以确定应力峰值的位置，由图７关系曲线可以 看出，在距离工作面１４ｍ、１７．５ｍ、２０ｍ的位置处出 现波速最大值，调出这三处的声时图（见图８）可以 看出，波形基本平滑，没有较大的起伏，可以判断应 力峰值位置基本为三者的平均值为Ｘ＝１７．１６ ｍ， 图８探测钻孔布置图 ４．３测试结果 本测试采用双孔声波探测，在试验巷道按照 图８布置３个测站，随着工作面不断向前推进，换 能器钻孔距工作面不断靠近，然后将每一处波速值 连成曲线，声波测试结果如图９～图１０所示。 ．．一．』．．｝ 一 ．Ｊ．。～ｉ ： ： ‘ ３５０ｏ ＝＝＝ ｒ—－÷一 ｍ ３０００ 甚 ２５００ ：： ｌｒ｜ 圣 ｌ ２Ｏ０ｏ １５ｏ０ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ Ｌ／ｍ １．１＃钻孔；２．２＃钻孑Ｌ；３．３＃钻孔 图９距离工作面距离与波速关系曲线 ∥ ｓ 图１０ Ｋｌ、Ｋ２、Ｋ３处声时图 由于纵波在不同物质中的传播速度和煤岩体 的弹模Ｅ、泊松比 相关，在应力较高的区域煤体 受到集中应力的作用，使得弹性模量Ｅ变大、密度 这与理论计算、数值模拟的结果是基本一致的。 ５结语 １）由理论计算、数值模拟、现场实测结果相比 较，三者相互印证，证明了三者结果的可靠性。说 明声波测试在现场可以使用，在工作面双孔声波测 试在科研上以及工程上具有一定的推广意义。 ２）根据支承压力的分布形态可以看出，支承 压力的应力影响范围在前方８０ ｍ左右，为超前支 护距离提供了依据，应力峰值位置基本在前方１５ ｍ 左右。 ３）由理论分析的三维视图可以看出，采场前 方存在支承压力的作用对工作面上、下顺槽断面的 大小有一定的影响，并且由式（４）可以看出采场的 支承压力与所在层位岩层的岩石力学参数有关，现 场巷道应当尽量布置在岩性较好的地方。 参考文献： ［１］ 李伟利，张学会．动载作用下采场前支承压力分布特 征研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１０，１２（３）：１０４—１０８． ［２］ 徐芝纶．弹性力学（上册）［Ｍ］．第３版．北京：高等教 育出版社，１９９０：３６１—３７１． ［３］王家臣．极软厚煤层煤壁片帮与防治机理［Ｊ］．煤炭 学报，２００７，３２（８）：８５—８８． ［４］谢广祥，常聚才，华心祝．开采速度对综放面围岩力 学特征影响研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００７，２９（７）： ９６３—９６７． ［５］谢和平，陈忠辉．高等岩石力学［Ｍ］．北京：科学出版 社出版社，２００４：１０５—１０８． （责任编辑：何学华，吴晓红）
