大傾角煤層開采礦壓顯現規律數值模擬①

石建軍 師皓宇 劉宏偉

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;2.威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

大傾角煤層開采礦壓顯現規律數值模擬①

石建軍1②師皓宇1劉宏偉2

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601;2.威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

基于云南觀音山煤礦已有的煤層地質條件，采用數值模擬軟件FLAC3D，建立了大傾角軟頂底板煤層數值模型，模擬分析了工作面回采時煤壁內應力分布、頂板下沉及底板鼓起情況。根據數值模擬結果分析，其工作面的初次來壓步距在20m左右。研究了工作面推至100m時，沿工作面走向和傾向的垂直應力和變形分布規律。對現場礦山壓力控制具有一定參考價值。

大傾角;數值模擬;礦壓顯現;應力與變形

1 地質條件

威信云投粵電扎西能源有限公司觀音山井田可采煤層為C1、C5兩層，礦井投產時移交西一一、西一二采區，兩采區開采范圍內C5煤層全區可采，西一一采區煤厚最厚11.51 m，平均在4.37～6.59 m 之間，煤層傾角 32°～39°，西一二采區西翼C5煤層厚在2.52～2.61 m之間，煤層傾角40°;總體上煤層有由淺至深厚度變薄、傾角逐漸變緩的趨勢。

煤層直接頂板一般為深灰色泥巖，局部為泥質灰巖，厚度0.09～4.6m，一般0.5～1.5m;直接底板為淺灰色泥巖、砂質泥巖，厚0.5～2.87m，一般1～2 m。可采煤層特征見表1。

表1 可采煤層特征表

2 建立FLAC3D計算模型

本次模擬內容是:采場初次來壓規律;研究工作面各位置處的支承應力分布規律［1-3］。

巖石力學參數表如表2所示。

表2 巖石力學參數表

建立與工作面實際地質條件和生產條件相似的三維FLAC計算模型。工作面傾向長度為120 m，走向長度為100 m，留100～120 m的邊界，模型高度為390m。模型的側面限制水平移動，模型的底面限制水平移動和垂直移動，模型的上部施加上覆巖層的自重應力。研究范圍內的巖層采用莫爾庫侖模型。根據以上條件建立的FLAC三維模型，共有66888單元塊、72887節點，如圖1所示。

圖1 巷道位置關系圖

3 初次來壓步距模擬

模擬從距模型邊界100m處向前推進，每隔5m分析一次煤體內的垂直應力，根據工作面煤壁內的垂直應力變化來確定其初次來壓步距，計算結果如圖2-4所示。

圖2 切眼處煤壁內的垂直應力云圖

圖3 工作面推采至20 m處煤壁內的垂直應力

根據初次來壓規律可知，其工作面的初次來壓步距在20 m左右［4-5］。

圖4 煤壁垂直應力與推采距離關系圖

4 工作面推至100 m時沿走向的垂直應力和變形分布規律

模擬工作面推至100 m時，研究工作面后方采空區50 m、20 m、10 m、工作面處及工作面前方10 m、30 m處的垂直應力、圍巖變形，通過統計其變化來研究工作面采前和采后的圍巖應力變化規律和變形規律。

圖5-6為工作面后方50 m處的垂直應力和變形曲線圖，從圖中可以看出，回風巷煤壁內的最大集中應力為11～12 MPa，運輸巷煤壁內的最大集中應力為15～16 MPa，頂板上方30 m內的垂直應力小于2 MPa;頂板上方的變形主要在30 m的范圍內，頂板最大變形量為14 cm，頂板上方30 m處的變形量為8cm，老頂上方形成一個拱形結構;底板有輕微底鼓現象，突起量為7 cm。

圖5 采空區后方50 m處的垂直應力云圖

圖7為工作面后方20 m處的垂直應力和變形曲線圖，從圖中可以看出，回風巷煤壁內的最大集中應力為10～11 MPa，運輸巷煤壁內的最大集中應力為14～15 MPa，頂板上方30 m內的垂直應力小于2 MPa;頂板上方的變形主要在30 m的范圍內，頂板最大變形量為12 cm，頂板上方30 m處的的變形量為6cm，老頂上方形成一個拱形結構;底板有輕微底鼓現象，突起量為6 cm。

6 采空區后方50 m處的變形等值線

7 采空區后方20 m處的垂直應力云圖

根據工作面(推至100m)處的垂直應力和變形曲線(略)，此時回風巷煤壁內的最大集中應力為7～8 MPa，運輸巷煤壁內的最大集中應力為9～10MPa，煤層上方的變形最大變形量為0.4cm。

根據工作面前方30 m的垂直應力和變形曲線(略)，此時回風巷煤壁內的最大集中應力為4 MPa左右，運輸巷煤壁內的最大集中應力為5.5 MPa左右，接近其原巖應力;煤層上方的變形最大變形量為0.2 cm。

圖8為煤壁內垂直應力與走向位置關系圖，圖9為頂板下沉量與走向位置關系圖。

由圖8-9知，工作面兩巷煤壁內的垂直應力分布規律如下:

1)回風巷和運輸巷煤壁內的垂直應力隨著距離工作面的增大而增大，最大為15 MPa。

2)工作面前方煤體內的應力隨著距離工作面的增加而減小，逐漸減小為4 MPa，接近于圍巖的原巖應力。

圖8 壁內垂直應力與走向位置關系圖

圖9 頂板下沉量與走向位置關系圖

3)同一走向位置的回風巷煤壁內的垂直應力要小于運輸巷煤壁內的垂直應力。

4)頂板下沉量與走向呈正比關系，在距工作面50 m處的頂板最大下沉量為14 cm。

5 工作面推至100 m時沿工作面傾向方向的垂直應力和變形分析

模擬工作面推至100 m時，在工作面各傾向位置處的剖面圖，分別在距回風巷煤壁-2 m、0 m、12 m、60 m、100 m、120 m、122 m 進行研究，通過統計其變化來研究傾向各位置處的圍巖應力變化規律和變形規律。

圖10是回風巷煤壁內2 m處的垂直應力和變形曲線圖，從圖中可以看出，上側煤壁內的最大集中應力為10.5 MPa，煤壁上方和工作面前方的垂直應力為6 MPa左右，煤層頂底板的變形量為2 cm左右。

圖11是距回風巷煤壁12 m處的垂直應力和變形曲線圖，從圖中可以看出，采空區頂板上方10 m內的垂直應力為1 MPa，上方20 m內的垂直應力為2 MPa;工作面前方4 m內的垂直應力為10 MPa以上，前方10m內的垂直應力大于8MPa，頂板最大下沉量為7 cm，頂板上方20 m內的變形量大于3 cm，底板突起量為3 cm。

圖10 距工作面回風巷-2 m的垂直應力圖

圖11 距回風巷12 m處垂直應力云圖

根據距回風巷煤壁60 m處的垂直應力和變形曲線(略)，此時采空區頂板上方20m內的垂直應力為1 MPa;工作面前方4 m內的垂直應力為12 MPa以上，前方10m內的垂直應力大于9MPa，頂板最大下沉量為10 cm，頂板上方20 m內的變形量大于8 cm，底板突起量為5 cm。

根據距回風巷煤壁120 m處的垂直應力和變形曲線(略)，此時采空區頂板上方10m內的垂直應力大于10 MPa;工作面前方10 m內的垂直應力為9 MPa，頂板最大下沉量為4.5 cm，頂板上方20 m內的變形量大于3 cm，底板突起量為3 cm。

根據數值計算結果，沿傾向方向工作面煤壁和頂板內的垂直應力變化規律如圖12-14所示:

圖12 工作面煤壁內垂直應力沿傾向位置關系圖

圖13 工作面后方5 m處頂板垂直應力沿傾向位置關系圖

圖14 垂直變形沿傾向位置關系圖

通過以上兩圖可知，工作面前方煤壁內的垂直應力呈拱形分布，中間大，兩端小，頂板上方的垂直應力正好相反，中間小，兩端大，運輸巷煤壁內的最大垂直應力達15 MPa。

距回風巷煤幫12 m～100 m之間的頂板上方的下沉量均在6 cm以上，煤幫內的變形量較小。

6 結論

根據大傾角軟頂底板煤層工作面開采FLAC數值模擬分析，可以得到以下結論:

1)其工作面的初次來壓步距應該在20 m左右。

2)工作面推至100 m時，各處垂直應力規律如下所述:

(1)回風巷和運輸巷煤壁內的垂直應力隨著距工作面距離的增大而增大，最大為15 MPa。

(2)工作面前方煤體內的應力隨著距工作面距離的增加而減小，逐漸減小為4 MPa，接近于圍巖的原巖應力。

(3)同一走向位置的回風巷煤壁內的垂直應力要小于運輸巷煤壁內的垂直應力。

(4)頂板下沉量隨著距工作面距離的增大而增大，在距工作面50 m處的頂板最大下沉量為14 cm。

3)工作面推至100 m時，工作面煤壁內最大的垂直應力為14.47 MPa，主要集中在工作面的下部;煤壁內最大的主應力為7.91 MPa，支柱的最大支撐力為1.586×103kN，頂板最大下沉量為6.206 cm，底板有底鼓現象，最大突起量為2.87 cm。

［1］ 王國法.煤礦高效開采工作面成套裝備技術

創新與發展［J］.煤炭科學技術，2010，38(1):63-68

［2］ 寧宇.大采高綜采煤壁片幫冒頂機理與控制技術［J］.煤炭學報，2009，34(1):50-52

［3］ 王家臣.關于綜放開采技術安全問題的幾點認識［J］.中國安全生產科學技術，2005(1):31-36

［4］ 錢鳴高，繆協興，許家林.巖層控制的關鍵層理論［J］.煤炭學報，1996，21(3):225-230

［5］ 劉俊峰.塔山礦特厚煤層綜放開采礦壓顯現規律初步研究［J］.煤礦開采，2008，13(5):80-82

The numerical simulation of the behavior law of mine pressure in Lean Coal Seam

SHI Jianjun1，SHI haoyu1，LIU Hongwei2

(1.Safety Engineering College，North China University of Science and Technology，Beijing-east Yanjiao 101601;2.Weixin Yunnan Electric Capital Ltd.，Zhaotong Yunnan 657900)

Based on the condition of Guan Yin Shan Mine.We built a numerical model for lean and soft roof and floor coal seam by using the software FLAC3D to numerically study the stressdistribution and roof and floor muster.According to the simulation results that the first weighting interval of the coal face is about 20m.We study the vertical deformation and stress distribution along the coal face toward and inclined when the working face impelling to 100m，.On the mining pressure control has a certain reference value.

big angle;numerical simulation;behavior law of mine pressure;stress and deformation

TD323

A

1672-7169(2012)03-0050-05

2012-02-11 。基金項目:中央高校基本科研業務費資助項目(AQ1202B)。

石建軍(1975-)，男，黑龍江人，博士，華北科技學院安全工程學院副教授。