片幫冒頂區頂板穩定性數值模擬研究

萬磊

摘 要：本文以新集二礦211112工作面地質條件為背景，運用FLAC 3D數值模擬方法，分析研究大傾角松軟煤層大面積空頂區頂板和煤壁穩定性。研究表明：在片幫深度達到6 m后，應力釋放降低幅度減小，應力釋放最大區域擴大，頂板冒頂發生的可能性較大;隨著片幫深度增加，在空頂區上部應力釋放區域逐漸擴展的同時，剪切應力釋放向上方巖層發展，頂板穩定性隨之降低;超前支承壓力峰值先增加后減小，存在片幫現象時超前支承壓力峰值位置向深部轉移，在超前支承壓力峰值點后，垂直應力值隨著片幫深度的增加而增大，增幅逐漸下降;隨著空頂區的形成，工作面超前支承壓力重新分布，在空頂區前方煤壁中重新形成應力集中，繼續產生片幫的危險性稍有降低。通過數值模擬的分析研究，為現場實際對工作面片幫冒頂原因和處理方法提供理論依據。

關鍵詞：FLAC 3D;大傾角煤層;數值模擬;頂板

中圖分類號：TD353 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0061-04

Abstract： Based on the geological conditions of 211112 working face in Xinji No.2 coal Mine， FLAC 3D numerical simulation method is used to analyze and study the stability of roof and coal wall of large area empty roof area in large inclined soft coal seam. The results show that when the spalling depth reaches 6 m， the reduction range of stress release decreases. The maximum area of stress release expands， and the roof fall is more likely to occur. With the increase of spalling depth， the stress release area in the upper part of the empty roof area gradually expands， meanwhile the shear stress release develops to the upper strata， and the roof stability decreases. The peak point of the leading abutment pressure increases first and then decreases. When there is spalling phenomenon， the peak position of the leading abutment pressure shifts to the deep. After the peak point of the leading abutment pressure， the vertical stress increases with the increase of the spalling depth， and the increase rate decreases gradually. With the formation of the empty roof area， the advance abutment pressure of the working face is redistributed. The stress concentration is reformed in the coal wall in front of the empty roof area， and the risk of continuous spalling is slightly reduced. Through the analysis and research of numerical simulation， it provides a theoretical basis for the cause and treatment of spalling roof fall in working face.

Keywords： FLAC 3D; high angle coal seam; numerical simulation; roof

近年來，隨著我國礦井開采強度的不斷加大，為了保證礦井開采的可持續性，一些賦存條件相對復雜的大傾角或急傾斜煤層的開采也正在被考慮[1-4]。我國西部地區大量賦存煤層的傾角都在35°以上，隨著開采強度和深度的不斷增大，大傾角煤層已經成為許多礦井的主采煤層。然而在實際生產中，由于各礦井大傾角煤層的賦存條件差異性大，存在傾角大、圍巖運動復雜、支架設備穩定性差、煤壁穩定控制困難、底板滑移機理不明確、工作面安撤時間長、工作面安全防護差等困難，實際開采中仍面臨許多技術問題[5-10]。本文以中煤新集能源集團新集二礦211112大傾角復合頂板松軟煤層工作面為研究對象，采用FLAC 3D數值模擬軟件模擬分析片幫冒頂深度不同情況下的空頂區圍巖應力特征，確定空頂區前方煤壁超前支承壓力的變化和分布情況，分析空頂區頂板及四周煤壁的穩定性，為現場實際對工作面片幫冒頂原因和處理方法提供理論依據。

1 數值模型建立

以新集二礦211112大傾角復合頂板松軟煤層工作面實際地質構造和煤層賦存情況為工程背景，建立三維數值模型。設定X軸方向為工作面走向方向，長度為300 m，設定Y軸方向為工作面傾向方向，其長度為200 m，設定Z軸為垂直方向，其高度為208 m。煤層傾角取平均傾角35°。計算模型如圖1所示。

為了減少數值模擬計算中邊界效應帶來的影響，在距離X軸60～86 m和距離Y軸2 m、4 m、6 m和8 m的范圍內賦予null命令來模擬片幫冒頂區域。模型按照煤層實際賦存及巖性分為11層，四周為位移邊界條件，上部為自由邊界條件，于頂部施加大小為12.5 MPa的垂直應力。模型共劃分183 600個三維單元格，196 265個節點。

根據211112工作面地質條件和工作面實際概況，計算模型采用彈塑性模型，選用莫爾-庫倫準則，由相關試驗所得的主要煤巖層的具體力學參數如表1所示。

2 大面積空頂區頂板穩定性分析

大傾角工作面沿傾斜方向的應力分布具有非對稱性，表現出明顯的分區特征，大采高工作面由于自由面范圍大，在工作面中上部易發生片幫現象。失去煤壁支撐的直接頂受煤壁片幫的連帶作用而冒落，進一步引起煤層片幫，空頂區頂板懸露面積隨之增大，應力釋放區域增加，未釋放區域應力集中增大，頂板穩定性下降。為探究片幫深度的影響，對不同煤壁片幫深度下空頂區頂板穩定性進行數值分析。

由圖2和圖3空頂區頂板垂直應力和頂板剪切應力分布，可以得出大傾角工作面大面積片幫冒頂空頂區頂板應力分布具有以下特征。

①沿煤層傾斜方向空頂區頂板垂直應力分布表現出明顯的非對稱性。在空頂區出現非常明顯的垂直應力降低區。

②隨著片幫深度的增加，空頂區頂板應力釋放區域增大，頂板穩定性下降。在片幫深度達到6 m后，應力釋放降低幅度減小，應力釋放最大區域擴大，說明片幫深度達到6 m以上空頂區頂板應力釋放非常充分，冒頂發生的可能性較大。

③隨著片幫深度的增加，空頂區邊緣煤壁側頂板具有沿煤壁切落的危險。圖3中煤壁側頂板剪切應力最大達到10.7 MPa，說明隨著片幫深度的增加，在空頂區上部應力釋放區域逐漸擴展的同時，剪切應力釋放向上方巖層發展，頂板穩定性隨之降低。

3 空頂區前方煤壁穩定性分析

工作面片幫冒頂形成空頂區是一個逐漸發展的過程，根據懸臂梁假說，距工作面支架越遠，煤壁中的支承壓力呈現先增加后減小的變化趨勢，當空頂區擴展至一定距離，在空頂區周圍煤壁的支承下重新達到穩定狀態。通過數值模擬分析不同片幫深度時前方煤壁中垂直應力的分布規律，分析空頂區穩定后前方煤壁的穩定性。

由圖4空頂區前方煤壁垂直應力分布可以看出，存在片幫現象時，超前支承壓力峰值位置向深部轉移，在煤壁內10 m處。超前支承壓力峰值呈先增加后減小的規律，超前支承壓力峰值最大發生在片幫4 m深時。在超前支承壓力峰值點后，片幫后的垂直應力值均大于未片幫的情況，并隨著片幫深度的增加而增大，但增幅逐漸下降。

空頂區中下部煤壁穩定性隨片幫深度的增加而下降，但是下降程度較空頂區上部小，當煤壁片幫達到4 m后，煤壁逐漸趨于穩定。未片幫時工作面前方煤壁中形成的超前支承應力集中系數大于空頂區前方煤壁中的應力集中系數，說明隨著空頂區的形成，工作面超前支承壓力重新分布，在空頂區前方煤壁中重新形成應力集中。與片幫前相比，應力值隨著片幫深度的增加而下降，繼續產生片幫的危險性稍有降低。

4 結語

①在片幫深度達到6 m后，應力釋放降低幅度減小，應力釋放最大區域擴大，在片幫深度達到6 m以上時，空頂區頂板應力釋放非常充分，冒頂發生的可能性較大。

②隨著片幫深度的增加，在空頂區上部應力釋放區域逐漸擴展的同時，剪切應力釋放向上方巖層發展，頂板穩定性隨之降低。

③超前支承壓力峰值呈先增加后減小的規律，存在片幫現象時，超前支承壓力峰值位置向深部轉移。在超前支承壓力峰值點后，垂直應力值隨著片幫深度的增加而增大，增幅逐漸下降。

④隨著空頂區的形成，工作面超前支承壓力重新分布，在空頂區前方煤壁中重新形成應力集中。與片幫前相比，垂直應力值隨著片幫深度的增加而下降，繼續產生片幫的危險性稍有降低。

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