特厚煤層綜放面煤壁坍塌影響數值模擬分析

邱玉銘

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司， 山西 晉中 032600）

文中采用ANSYS軟件建立綜放面回采的三維力學計算模型，然后導入更適用于巖土及采礦工程的FLAC 3D軟件中，分析在停采線煤柱（分別為170 m、150m、120m）、不放煤距離（分別為80m、50 m、20 m、0 m）及是否考慮煤壁坍塌的情況下，停采線煤柱支承壓力分布規律及1070回風大巷、8105工作面中部回風巷的變形及應力變化規律。

1 工程概況

某煤礦主采石炭二疊3號、5號合并煤層，平均19.4 m。一盤區8105工作面（如圖1所示）東部與西部分別與8104、8106工作面相鄰；西部和南部是1070回風巷、1070輔運巷、1070皮帶巷三條主要大巷，留設的口泉鐵路保護煤柱位于工作面北部；煤層上方為麻地灣煤礦14號、15號煤層采空區，14號煤層屬淺埋煤層，埋深為17.5～109.9 m，14號煤層至15號煤層相隔15.6～18.4 m，15號煤層與3號～5號煤層間隔為314～320 m，根據鉆孔柱狀圖可以得出，8105工作面煤層平均埋深約505 m。

2 模型建立及參數選取

2.1 數值模型的建立

建立計算模型時，模型大小為長×寬×高為700 m×400 m×145 m。從底向上對模型分層定義底部20 m部分為細砂巖層底板、15 m煤層、8 m巖漿巖層頂板、16 m砂質泥巖層、36 m粗砂巖層和上部50 m細砂巖層。

2.2 力學參數選取

圖1 8105工作面示意圖

材料模型定義為MonCoulomb模型，模型邊界條件設置中，除了模型頂部加載，其余五個邊界面全部約束，即固定x、y、z三個方向的位移。工作面平均埋深505 m，覆巖平均密度取2500 kg/m3，則需在模型頂部施加9.87 MPa的垂直壓應力。模型中各巖層參如表1所示[2-3]。

表1 巖石力學參數

2.3 模擬方案設計

數值模擬中需要分別對不同寬度的停采線煤柱、不同的不放煤距離及是否考慮煤壁坍塌三種情況進行分析，模擬方案如下：

1）根據前述的模擬結果，找出合理的停采線煤柱寬度，在此條件下模擬分析不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m、0 m時，支承壓力對1070大巷及8105工作面中部回風巷的影響。

2）在合理的停采線煤柱寬度的基礎上，研究在不放煤距離為80 m、50 m、20 m和0 m時煤壁坍塌對停采線煤柱及巷道應力及圍巖變形的影響。

3 考慮煤壁坍塌影響數值模擬

在停采線煤柱最小側寬度為150 m時，研究不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m時煤壁處坍塌對煤柱及巷道應力及變形的影響，模擬時將機采面煤壁頂部以45°角向斜上方、垂直高度為20 m的范圍假定為坍塌范圍，模擬計算后8105工作面煤層底板切面的應力云如圖2所示。

從圖2中可以看出，考慮煤壁坍塌時，不同不放煤距離的應力峰值和影響范圍都逐漸增大。在圖2-1、2-2、2-3中如果以應力集中系數1.12邊界為準，隨著不放煤距離的減少，應力的影響范圍逐漸增大，當不放煤距離為0 m時，應力影響范圍明顯增大，如圖2-4所示。

圖2 考慮煤壁坍塌時不同不放煤距離應力云圖

煤壁坍塌時不放頂煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m四種情況下，工作面回采對煤柱內部及巷道圍巖應力與變形影響程度的對比曲線圖。

1）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，停采線煤柱內部應力峰值分別為15.20 MPa、15.34 MPa、15.53 MPa、16.71 MPa，應力集中系數分別為 1.20、1.22、1.23、1.26；左幫的應力峰值分別為 14.40 MPa、14.76 MPa、15.07 MPa、15.4 MPa，應力集中系數分別為 1.16、1.18、1.20、1.23；右幫的應力峰值分別為 14.20 MPa、14.71 MPa、15.23 MPa、15.93 MPa，應力集中系數分別為 1.13、1.17、1.20、1.27。可以看出，考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱內部及中部回風巷兩幫的應力峰值逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；同樣的不放煤距離情況下，相比不考慮坍塌而言，圍巖應力都有較小程度的增大。

2）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，巷道頂底板移近量最大值分別為136 mm、159 mm、178 mm、199 mm；兩幫移近量最大值分別為 24 mm、27 mm、29 mm、33 mm。可知，在考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，巷道頂底板及兩幫移近量都逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，巷道兩幫移近量增幅較大；在同樣的不放煤距離情況下，相比不考慮坍塌時而言，巷道變形都較小范圍的增大。

3）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20m、0m時，大巷左幫的應力峰值分別為14.06 MPa、14.1l MPa、14.17 MPa、14.26 MPa，應力集中系數分別為 1.125、1.129、1.134、1.141；右幫的應力峰值分別為 12.8 MPa、12.9 MPa、13.08 MPa、13.25 MPa，應力集中系數分別為 1.02、1.03、1.04、1.06；考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，1070巷道兩幫的應力峰值逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；在相同的不放煤距離情況下，考慮煤壁坍塌與不考慮時相比，應力及應力集中系數都有所增大，但增加程度較小。

4）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，巷道頂底板移近量最大值分別為4.3 mm、6.2 mm、8.1 mm、10.3 mm；兩幫移近量最大值分別為 5.21 mm、5.6 mm、6.3 mm、7.3 mm；考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，巷道頂底板及兩幫位移都逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；在同樣不放煤距離情況下，考慮煤壁坍塌與不考慮時相比，巷道變形都有所增大，但增加程度較小。

4 結論

由于大采高工作面采高比較大，礦壓顯現強烈，所以在特厚煤層綜放面生產過程中，常發生大面積片幫的情況，嚴重威脅工作面生產安全，文中以某礦8105工作面為研究對象，采用數值模擬的研究手段，制定了放頂煤與不放頂煤情況下的煤壁坍塌模型，對工作面煤壁坍塌進行了分析。在進行特厚煤層綜放工作面考慮煤壁坍塌與不考慮坍塌時相比，在同樣不放煤距離的情況下，煤柱內部應力及巷道圍巖變形都有所增加。因此，設計停采煤柱時，應考慮煤壁坍塌的影響。

論文研究得出的特厚煤層綜放開采條件下，停采線煤柱應力分布規律及臨近巷道圍巖裂隙發育規律的研究成果，對類似開采條件的特厚煤層綜放工作面，留設合理的停采線煤柱及合理的不放煤距離，有一定的指導意義。