某礦1301綜采工作面應(yīng)力數(shù)值模擬分析

柴俊虎 馬 偉

(1.霍州煤電集團(tuán)豐峪煤業(yè)有限責(zé)任公司；2.尤洛卡精準(zhǔn)信息工程股份有限公司)

某煤礦井田內(nèi)斷裂構(gòu)造及陷落柱發(fā)育，井田構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。1301綜采工作面是井田11#煤層13采區(qū)的第一個(gè)工作面，是主要的接替工作面。經(jīng)探查，該工作面多斷層，地質(zhì)條件復(fù)雜，此外，工作面上部(垂直距離約9.9 m)包含有10#煤層的殘留煤柱，工作面回采時(shí)有可能會(huì)受到上部殘留煤柱(寬20 m)的影響，因而，有必要在該工作面開(kāi)采前對(duì)其應(yīng)力特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，一方面，可以驗(yàn)證上覆殘留煤柱是否對(duì)工作面的回采造成影響，以及殘留煤柱區(qū)域的應(yīng)力特點(diǎn)；另一方面，可以了解斷層區(qū)域的應(yīng)力特點(diǎn)，在工作面回采以及后期巷道維護(hù)時(shí)提供可靠的依據(jù)；再者，研究超前支承應(yīng)力有利于工作面回采時(shí)超前支護(hù)。分析結(jié)果對(duì)工作面的安全高效回采具有重要的指導(dǎo)作用。

1 工作面概況

1301工作面地面標(biāo)高為+630～+730 m，井下標(biāo)高為+442～+512 m。煤層整體為緩傾斜單斜構(gòu)造。工作面運(yùn)輸順槽走向長(zhǎng)644 m，回風(fēng)順槽走向長(zhǎng)678 m，傾斜長(zhǎng)132 m。煤層傾角為1°～9°，平均傾角為5°，煤層厚1.57～1.77 m，平均厚1.68 m,煤種牌號(hào)為肥煤。工作面直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，平均厚2.90 m，基本頂為粉砂巖，平均厚3.35 m，直接底為石英砂巖，平均厚2.30 m，基本底為石灰?guī)r，平均厚2.28 m。煤層頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。

柴俊虎(1972—)，男，工程師，031400 山西省霍州市。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法采煤，一次采全高，沿頂?shù)装逋七M(jìn)，全部垮落法管理頂板。工作面計(jì)劃選用MG150/345-WDK型雙滾筒采煤機(jī)落煤、裝煤，采用SGZ-630/400型刮板輸送機(jī)(雙機(jī))、SZB-730/75C橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、SSJ-1000型膠帶輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)煤，ZY3300-11/26型雙掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板。

地表對(duì)應(yīng)位置為尚家溝村南西側(cè)的山谷與山頂，為農(nóng)用耕地與山坡荒地，其余方位無(wú)其它建筑物。由于采高較小，裂隙帶影響范圍小，根據(jù)調(diào)查分析，工作面回采期間裂隙帶不會(huì)溝通地表，僅會(huì)產(chǎn)生局部微小裂隙，對(duì)地表基本無(wú)影響。工作面東南側(cè)為三采區(qū)正在推進(jìn)的304綜采工作面，西側(cè)為一條6 m的正斷層，西南側(cè)為原三采區(qū)皮帶巷與原三采區(qū)回風(fēng)巷，東北側(cè)為十三采區(qū)專用回風(fēng)巷、皮帶巷與輔助運(yùn)輸巷，工作面上部為三采區(qū)10#煤層306、308采空區(qū)。1301工作面位置情況見(jiàn)圖1。

圖1 1301工作面位置示意

2 模型的建立

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作面開(kāi)采后，對(duì)上覆巖層垂直方向的影響距離約6～8倍采高[1-2]，因此，所建模型尺寸為183 m×42 m(寬×高)，巖體的垂直應(yīng)力σzz=13 MPa,水平應(yīng)力σxx=σyy=0.51σzz。模型的邊界約束條件為左右邊界只約束x方向的位移，前后邊界只約束y方向的位移，即對(duì)模型左右、前后邊界進(jìn)行單約束；下部邊界為全約束；上部邊界不約束，F(xiàn)LAC3D將單元之間的不平衡力重新加到各節(jié)點(diǎn)上，為自由邊界。采用六面體單元，共劃分62 050個(gè)單元。計(jì)算時(shí)，模型的本構(gòu)模型選用莫爾-庫(kù)侖塑性模型，巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

由于FLAC3D前處理能力較弱[3-5]，因而本模型在建立過(guò)程中，先使用ANSYS軟件建立模型，然后再利用ANSYS-FLAC3D轉(zhuǎn)化程序，將模型導(dǎo)入FLAC3D中。數(shù)值模型見(jiàn)圖2。由于FLAC3D模擬軟件在求解微分方程時(shí)采用顯示差分法，因而對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行了相似模擬處理[6]。另外，為更加直觀地展現(xiàn)數(shù)值模擬情況，將FLAC3D的數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入到Tecplot軟件，生成相應(yīng)的數(shù)值等高線圖。

圖2 FLAC3D計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 上覆殘留煤柱區(qū)域應(yīng)力情況分析

圖3為1301工作面未開(kāi)采時(shí)上覆殘留煤柱區(qū)域初始應(yīng)力分布。由圖3(a)可知，上覆殘留煤柱處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，最大值為22 MPa，殘留煤柱對(duì)1301工作面影響長(zhǎng)度約40 m，其中，最大值出現(xiàn)在殘留煤柱左側(cè)正下方的1301工作面區(qū)域，應(yīng)力達(dá)到17 MPa，略大于煤柱右側(cè)下方的工作面區(qū)域(15 MPa)，該種情況有可能受煤層傾角的影響，此外，受上覆采空區(qū)影響，1301工作面兩側(cè)出現(xiàn)大小不同的卸壓區(qū)域。由圖3(b)可知，工作面區(qū)域最大水平應(yīng)力為8 MPa，因而，在該區(qū)域進(jìn)行工作面回采時(shí)，應(yīng)加大支護(hù)力度，預(yù)防垂直應(yīng)力所造成的工作面事故。

3.2 斷層區(qū)域應(yīng)力情況分析

圖4為1301工作面未開(kāi)采時(shí)斷層區(qū)域初始應(yīng)力分布。由圖4(a)可知，受上覆采空區(qū)影響，斷層區(qū)域的1301工作面垂直方向應(yīng)力有一定的卸壓效果，垂直應(yīng)力約12 MPa，略低于工作面平均值(約13 MPa)；另外，在采空區(qū)右側(cè)的斷層處出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中的現(xiàn)象，說(shuō)明該區(qū)域斷層有活化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)力若持續(xù)增加，該處斷層有可能突然下滑，導(dǎo)致沖擊；如果1301工作面進(jìn)行回采，在工作面靠近斷層側(cè)，也會(huì)造成應(yīng)力集中，此時(shí)為預(yù)防斷層突然下滑，應(yīng)加大該區(qū)域巷道的支護(hù)強(qiáng)度，提高工作面支架的支撐強(qiáng)度。由圖4(b)可知，工作面區(qū)域水平應(yīng)力為6～8 MPa，低于工作面垂直方向的應(yīng)力，因而，該區(qū)域也是主要受垂直方向應(yīng)力的影響；另外，在采空區(qū)右側(cè)的斷層處同樣出現(xiàn)了水平應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因而，為預(yù)防斷層突然下滑，在1301工作面回采期間，應(yīng)加大該區(qū)域巷道的支護(hù)強(qiáng)度，提高工作面支架的支撐強(qiáng)度。

圖3 1301工作面未開(kāi)采時(shí)上覆殘留煤柱區(qū)域初始應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖4 1301工作面未開(kāi)采時(shí)斷層區(qū)域初始應(yīng)力分布(單位:MPa)

3.3 工作面超前支承應(yīng)力情況分析

圖5為殘留煤柱下1301綜采工作面超前支承應(yīng)力情況。可知，超前支承壓力影響區(qū)域約25 m，其中，最大超前支承壓力在工作面超前距離約7 m，最大值為20 MPa，工作面頂板壓力約15 MPa，從模擬結(jié)果以及動(dòng)載系數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律(最大不超過(guò)2)看，工作面回采所采用的ZY3300-11/26型雙掩護(hù)式液壓支架(最大支護(hù)強(qiáng)度42 MPa)完全可以滿足工作面的支護(hù)要求。

4 結(jié) 論

(1)考慮到FLAC3D在求解微分方程時(shí)采用顯示差分法，建模時(shí)對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行了相似模擬處理，數(shù)值分析的結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為1301綜采工作面的安全回采提供更為可靠的應(yīng)力依據(jù)。

(2)工作面開(kāi)采前煤柱下方區(qū)域主要受垂直應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在殘留煤柱左側(cè)正下方1301工作面區(qū)域，應(yīng)力達(dá)到17 MPa，在該區(qū)域進(jìn)行工作面回采時(shí)，應(yīng)加大支護(hù)力度，預(yù)防垂直應(yīng)力所造成的工作面事故。

圖5 殘留煤柱下1301綜采工作面

(3)工作面開(kāi)采前斷層附近的工作面區(qū)域主要受垂直應(yīng)力，最大值約12 MPa；1301綜采工作面回采時(shí)，在工作面右側(cè)靠近斷層處預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力雙集中，為預(yù)防斷層突然下滑，應(yīng)加大該區(qū)域巷道的支護(hù)強(qiáng)度，提高工作面支架的支撐強(qiáng)度。

(4)工作面回采后，1301綜采工作面超前支承壓力影響范圍約25 m，最大超前支承壓力在工作面超前距離約7 m；工作面頂板壓力約15 MPa；ZY3300-11/26型雙掩護(hù)式液壓支架可以滿足工作面的支護(hù)要求。

(5)利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對(duì)1301綜采工作面在回采時(shí)面臨的殘留煤柱、斷層等應(yīng)力情況進(jìn)行模擬，及時(shí)掌握了工作面的應(yīng)力特點(diǎn)，給出了相對(duì)應(yīng)的預(yù)防及處理措施，實(shí)現(xiàn)工作面的合理控制以及巷道的有效支護(hù)。

[1] 譚云亮.礦山壓力與巖層控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2] 馬 偉.高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索非對(duì)稱耦合支護(hù)在大傾角煤層復(fù)合頂板中的應(yīng)用研究[D].青島:山東科技大學(xué),2014.

[3] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[4] 曾 壘,項(xiàng)一凡.用FLAC3D實(shí)現(xiàn)綜放工作面三維礦壓模擬的探討[J].煤炭工程,2007(6):86-88.

[5] 張瑞鵬,任文強(qiáng).基于FLAC模型下對(duì)8506工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的模擬[J].山東煤炭科技,2017(1):44-48.

[6] 尚振華,唐紹輝,焦文宇,等.基于FLAC3D模擬的大規(guī)模采空區(qū)破壞概率研究[J].巖土力學(xué),2014,35(S2):3000-3006.