某煤礦大傾角偽傾斜綜放面采場(chǎng)應(yīng)力數(shù)值模擬

武浩軍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦)

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某煤礦大傾角偽傾斜綜放面采場(chǎng)應(yīng)力數(shù)值模擬

武浩軍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦)

摘要頂板巖層強(qiáng)度大小決定著頂板在開(kāi)采擾動(dòng)下的變形破壞程度，從而影響到頂板應(yīng)力釋放區(qū)的形成。為分析某煤礦在偽傾斜角度不變的情況下綜放面不同傾角推進(jìn)方向的應(yīng)力場(chǎng)及在煤層傾角不變、不同偽傾斜角度的情況下的應(yīng)力場(chǎng)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：隨著煤層傾角的逐漸增大，受支承壓力影響的范圍逐漸減小，工作面的初次來(lái)壓步距逐漸變大，周期來(lái)壓步距相近。

關(guān)鍵詞大傾角煤層偽傾斜工作面采場(chǎng)應(yīng)力數(shù)值模擬

1　工作面概況

某煤礦可采3#煤層上覆巖層厚度超過(guò)600m，多數(shù)在650m以下。煤層頂板組成較復(fù)雜，煤層傾角平均為42°，最大傾角為48°，最小傾角為20°，2317工作面傾斜角度為15°，采煤工藝為俯偽斜綜采放頂煤，開(kāi)采2.3m，放煤4.2m，采放比為1∶1.83，工作面上覆巖層厚度達(dá)到680m。

2　模型構(gòu)建

2.1計(jì)算模型

(1)計(jì)算模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分。模型中以工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸，工作面方向?yàn)閅軸。考慮邊界效應(yīng)、計(jì)算速度等因素，設(shè)定計(jì)算模型尺寸為700m×250m×1 300m。

(2)邊界條件模擬。①上部邊界條件，模型Z方向頂面為自由面，施加豎向均布荷載模擬上覆巖層的自重荷載，豎向均布載荷大小為18.32MPa；②下部邊界條件，模型下部為固定邊界，采用位移約束，模型下部邊界垂直位移與水平位移均為0。

2.2計(jì)算參數(shù)

本研究模擬過(guò)程選取莫爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行計(jì)算分析[1-5]，模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3計(jì)算方案

運(yùn)用FLAC3D軟件，對(duì)該礦大傾角煤層在工作面推進(jìn)方向傾角變化情況下覆巖的應(yīng)力特征進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)需要，本研究計(jì)算方案共分析4個(gè)計(jì)算工況：在工作面傾斜方向傾角為15°且

表1　主要巖層的計(jì)算參數(shù)

保持不變的前提下，工作面推進(jìn)方向傾角分別為35°、48°；在煤層傾角為最大值48°且保持不變的前提下，工作面?zhèn)蝺A斜角度為15°、35°。

3　模擬分析

3.1工作面推進(jìn)方向傾角不同時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)特征

在工作面推進(jìn)方向傾角變化時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層及底板的垂直壓力及影響范圍均發(fā)生了相應(yīng)變化。工作面傾斜方向傾角為15°且不變、工作面推進(jìn)方向傾角分別為35°、48°的條件下，工作面推進(jìn)時(shí)步為10，40，120，200m時(shí)的工作面圍巖的垂直應(yīng)力分布分別如圖1、圖2所示。

圖1　工作面傾角為15°、推進(jìn)方向傾角為35°時(shí) 的采場(chǎng)應(yīng)力云圖

圖2　工作面傾角為15°、推進(jìn)方向傾角為48°時(shí) 采場(chǎng)應(yīng)力云圖

由圖1、圖2可知：推進(jìn)方向傾角為35°時(shí)，工作面煤壁前方最大集中應(yīng)力的區(qū)域距工作面5～7m，工作面推進(jìn)40m時(shí)，煤壁前方的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.154，應(yīng)力集中的顯著影響范圍為0～36m；傾角為48°時(shí)，工作面煤壁前方最大集中應(yīng)力的區(qū)域距工作面3～5m，工作面推進(jìn)40m煤壁前方的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.175，應(yīng)力集中的顯著影響范圍為0～29m。由此可知，推進(jìn)方向的最大應(yīng)力集中系數(shù)隨著傾角的增大而變小，煤壁前方垂直應(yīng)力影響范圍也隨之而減小，同時(shí)工作面上覆巖層及底板巖體的垂直應(yīng)力隨工作面的推進(jìn)逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)至一定時(shí)步時(shí)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，且工作面中上部頂板巖層低應(yīng)力區(qū)域大，工作面下部頂板巖層低應(yīng)力區(qū)域較小，呈現(xiàn)偏拱形輪廓，底板低應(yīng)力區(qū)域相對(duì)頂板而言較弱，且延伸范圍不明顯。

3.2工作面傾斜方向傾角不同時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)特征

為研究工作面傾斜方向傾角不同時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)垂直應(yīng)力的變化規(guī)律與分布特征，保持工作面推進(jìn)方向傾角(48°)不變，建立工作面傾斜方向傾角分別為15°、35°時(shí)的數(shù)值計(jì)算模型，模擬分析工作面推進(jìn)時(shí)步分別為10，40，120，200m時(shí)采場(chǎng)垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3　工作面傾斜方向傾角為15°、推進(jìn)方向傾角為48°時(shí) 采場(chǎng)應(yīng)力云圖

圖4　工作面傾斜方向傾角為35°、推進(jìn)方向傾角為48°時(shí) 采場(chǎng)應(yīng)力云圖

由圖3、圖4可知：工作面傾角為15°時(shí)，工作面前方最大集中應(yīng)力與工作面的距離為3～7m，工作面推進(jìn)40m時(shí)，煤壁前方的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.175，應(yīng)力集中的顯著影響范圍平均為0～33m；工作面傾角為35°時(shí)，工作面前方最大集中應(yīng)力與工作面的距離為3～5m，工作面推進(jìn)40m時(shí)，煤壁前方的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.189，應(yīng)力集中的顯著影響范圍平均為0～29m。由此可知，工作面前方最大應(yīng)力集中系數(shù)隨著煤層傾角的增大而增大，而工作面煤壁前方的應(yīng)力顯著影響范圍變化相對(duì)不明顯。

4　結(jié)　論

(1)隨著煤層傾角的增大，工作面的初次來(lái)壓步距逐漸變大，周期來(lái)壓步距相近，工作面頂?shù)装宓囊平恐饾u變小，工作面的來(lái)壓顯現(xiàn)較緩和。

(2)當(dāng)煤層傾角增加時(shí)，工作面上覆巖體的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生規(guī)律性變化，水平向應(yīng)力由分布均勻逐漸在采空區(qū)上方增加，并向上覆巖體深部擴(kuò)展，垂向應(yīng)力在采空區(qū)正上方增加較快，應(yīng)力等值線密集，而傾角較小時(shí)，垂直應(yīng)力沿深度分布。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2016-04-03)

武浩軍(1974—)，男，助理工程師，037000 山西省介休市裕華路95號(hào)。