綜放開采頂煤破壞規律數值模擬研究

吳雪峰

綜放開采頂煤破壞規律數值模擬研究

吳雪峰

根據斜溝煤礦13#煤層賦存情況，運用FLAC3D數值模擬方法對厚煤層綜放開采主要影響因素進行研究，得到了各因素影響規律。各因素與頂煤破壞綜合指標顯著相關，對影響程度進行主次排序：埋深→煤單軸抗壓強度→工作面長度→支架支撐力→煤厚。

厚煤層；綜放開采；數值模擬；頂煤

1 礦井概況

斜溝煤礦13#煤層位于太原組下部，上距8#煤層38.10 m～78.10 m、平均 52.42 m，下距 S1砂巖15.97 m～36.94 m、平均 23.76 m；煤層厚度為5.95 m～16.68 m，平均14 m，為結構簡單層位穩定的全區可采煤層，是勘探區內的又一主采煤層；含夾矸0層～6層、一般為0層～3層，夾矸厚度為0.00 m～0.90 m、一般為0.08 m～0.43 m；頂板巖性為砂質泥巖和泥巖，老頂為中粗粒砂巖，常見炭質泥巖偽頂；底板巖性為泥巖和砂質泥巖，有時為粉砂巖或泥灰巖，普遍存在著炭質泥巖偽底。

2 計算方案及模擬過程

2.1 計算方案

影響綜采放頂煤工作面頂煤破壞的主要有埋深、煤厚、煤的硬度、工作面長度、支架支撐力5個因素。對每個因素設計5個水平（見表1），組成25個正交實驗方案。

表1 試驗因素與水平

2.2 計算模型

運用FLAC3D軟件建立三維數值模擬模型。取工作面推進方向為X軸，工作面長度方向為Y軸，垂直方向為Z軸，設計煤層為近水平煤層。圖1為模型三維幾何尺寸、網格劃分和邊界條件。

模型中煤巖層的物理力學參數見第2頁表2。

2.3 模擬過程

在模擬時，每次開挖3 m，設計采高3 m，待平衡后，再開挖3 m，再計算至平衡。以此循環，直至工作面推進120 m。在模擬中，頂煤及頂板垮落厚度根據各方案所開采的煤層厚度不同而異，巖石垮落后的碎脹系數按1.25考慮。

2.4 評價指標

在工作面推進過程中，頂煤逐步由彈性變形進入塑性狀態，頂煤單元破壞強度與支撐壓力間存在明顯的對應關系。因此，以巖石的強度理論為基礎，計算頂煤各單元破壞程度的大小，稱破碎系數，然后將破碎系數累加后平均，即可得到綜合量Y。Y值為頂煤單元平均的破碎系數大小，能夠反映頂煤冒放性的好壞。

表2 煤巖物理力學性質

式中：Yi——頂煤破壞綜合指標；

Vi——單元體積；

Zi——支架控頂區域頂煤單元的破壞系數，其值越大頂煤單元的破壞程度越高；

i——單元編號。

各方案頂煤破壞結果見表3。然后分別對各因素作一元回歸分析，得出各因素對頂煤破壞綜合指標的影響規律，見第3頁圖2。

表3 各因素按水平分組的頂煤破壞綜合指標的平均值

由圖2可以得到各因素對頂煤破壞的影響規律，但煤體從完整到破壞再到放落下來是各個因素綜合作用的結果，而以上單因素的回歸分析不能明確地表明各因素之間的影響程度和主次排序，為此將上述的埋深H、煤厚M、工作面長度L、煤單軸強度Rc、支架支撐力P0等5個因素一起作多元回歸分析，得：

該式的相關檢驗系數R2=0.864 2，F檢驗為24.189 1＞F0.05=2.74，相關性顯著。

運用該式可以計算任一煤層的頂煤破壞綜合指標值。

為了得出埋深H、煤厚M、工作面長度L、煤單軸強度Rc、支架支撐力P0等5個因素對頂煤破壞性影響的主次排序，在此引入極差分析（各因素在不同水平下的頂煤破壞綜合指標Y的最大值減去最小值），根據各因素極差大小，得出對頂煤破壞綜合指標Y影響程度的主次排序為：

埋深H=0.654-0.29=0.364＞煤單軸抗壓強度Rc=0.702-0.394=0.308＞工作面長度L=0.58-0.406=0.174＞支架支撐力P0=0.554-0.496=0.058＞煤厚=0.53-0.494=0.036。

3 結論

①厚煤層綜放開采時，對頂煤破壞綜合指標影響因素主次排序為：埋深→煤單軸抗壓強度→工作面長度→支架支撐力→煤厚。

②運用多元回歸分析，得出各因素對頂煤破壞綜合指標相關關系為：Y=0.000 96H-0.006 5M+0.000 467Rc-0.017 5L-0.000 002P0+0.382 93。該式的相關檢驗系數R2=0.864 2，F檢驗為24.189 1＞F0.05=2.74，相關性顯著。運用該式可以計算任一煤層的頂煤破壞綜合指標值。

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Numerical Simulation Study on Top Coal Damage Law in Fully Mechanized Top-coal Caving

Wu Xuefeng

Based on occurrence situation of 13#coal seam in Xiegou.Though FLAC3Dnumerical simulation method,the main influence factors law about thick seam mining is studied and the influence factors are obtained.Destruction of various factors and comprehensive index of top coal was significantly related.The extent of primary and secondary sort:the depth of coal seam→uniaxial compressive strength of coal→the length of working face in turn by the influence extent→the stents support force→seam thickness.

thick coal seam;fully mechanized top-coal caving;numerical simulation；top coal

TD821

A

1000-4866（2011）04-0001-03

吳雪峰，女，1971年1月出生，1993年6月畢業于蘭州大學（經濟地理與城鄉區域規劃專業），現在大同煤炭職業技術學院任教。

2011-07-29

2011-08-11