計(jì)算機(jī)相似模擬在停采線確定中的應(yīng)用

【摘要】本文通過計(jì)算機(jī)有限元FLAC模擬、理論計(jì)算和實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，針對(duì)某煤礦五區(qū)6-1S工作面停采線不同位置條件下的數(shù)值模擬計(jì)算，初步得出停采線周圍應(yīng)力分布規(guī)律，推導(dǎo)出本礦條件下工作面停采線合理位置。

【關(guān)鍵詞】停采線；數(shù)值模擬；支承壓力；FLAC

煤層開采過程破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。對(duì)于受到采動(dòng)影響的巷道，其維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外，主要取決于采動(dòng)影響。煤層開采以后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力，隨著工作面推進(jìn)而向前移動(dòng)，如果受到兩側(cè)采動(dòng)影響，超前支承壓力會(huì)在某些地方發(fā)生疊加，應(yīng)力增高系數(shù)可達(dá)3～5，甚至更高。停采線位置的確定，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都提出了許多不同的理論計(jì)算，導(dǎo)出了很多相應(yīng)的計(jì)算公式。然而理論計(jì)算結(jié)果在目前很少直接用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)更多的是采用經(jīng)驗(yàn)公式，停采線位置的確定直接影響著煤礦的安全生產(chǎn)和國(guó)家資源的回收率。因此，研究超前支承壓力峰值位置及影響范圍，對(duì)確定合理的停采線位置具有重要作用。

1、工作面概況

該礦區(qū)有可采煤層6-1、6-2、6-3，但在五區(qū)北翼6-3煤層變的不可采，因此五區(qū)可采煤層有6-1、6-2煤層，均屬于中厚煤層，采深為340～410m，6-1煤層厚度為2.77m，傾角為19°。下區(qū)段回風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)為錨索長(zhǎng)φ17.8mm×5m；托盤：300×300mm；間排距：1.2×1.6m錨桿長(zhǎng)2.4m；直徑20mm；小托盤：150×150mm；大：400×280mm； 間排距：0.8×0.8m。目前該礦工作面停采線距離軌道下山約為30m，該礦是國(guó)內(nèi)典型的軟巖煤礦，軌道下山巷道變形特別嚴(yán)重。為盡可能減少巷道圍巖變形提高安全經(jīng)濟(jì)效益，故進(jìn)行工作面停采線合理位置的確定是十分必要的。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1

2、理論計(jì)算

2.1塑性區(qū)超前支承壓力峰值的確定

煤體的承載能力，隨著遠(yuǎn)離煤體邊緣而明顯增長(zhǎng)。在距煤體邊緣一定寬度內(nèi)，存在著煤體的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，運(yùn)用巖體的極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值與煤體邊緣之間的距離為：

3相似模擬內(nèi)容

停采線位置的確定受到支稱壓力、煤柱尺寸、和煤巖力學(xué)性質(zhì)等多種因素的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法很難測(cè)得煤柱的應(yīng)力和塑性區(qū)分布，應(yīng)力用數(shù)值計(jì)算可解決這一難題。通過數(shù)值計(jì)算軟件FLAC模擬工作面開采與巷道掘進(jìn)，分析五區(qū)6-1S回采工作面采場(chǎng)應(yīng)力與位移的分布與變化規(guī)律最終確定合理的停采線位置。具體模擬內(nèi)容如下：

1）模擬1：6-1S回采工作面和6-2S工作面均未回采時(shí)軌道下山、皮帶下山、135石門、185石門的受力狀態(tài)。

2）模擬2：6-1S停采線按實(shí)際的尺寸留設(shè)60m，單獨(dú)模擬五區(qū)6-1S回采工作面停采線距離皮帶下山20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m的情況，此時(shí)觀測(cè)五區(qū)6-1S回采工作面對(duì)軌道下山、皮帶下山、135石門、185石門的影響。

根據(jù)六區(qū)的地質(zhì)條件和煤巖條件等沿走向建立剖面，建立以下模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算模型如圖1。數(shù)值計(jì)算所需的煤（巖）力學(xué)參數(shù)如表1。

根據(jù)煤層柱狀圖，賦予各層煤巖力學(xué)參數(shù)，建立模型并運(yùn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示，最大不平衡力如圖3

分別模擬五區(qū)6-1S回采工作面停采線距離軌道下山20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m的情況，觀測(cè)軌道下山、皮帶下山、135石門、185石門的應(yīng)力狀態(tài)。

由圖4、圖5可知，6-1S回采工作面停采線的超前支承壓力峰值為36.4Mpa，峰值出現(xiàn)在煤壁前方4.93m，超前支承壓力影響的范圍為50m左右，此時(shí)軌道下山、135石門、皮帶下山分別距離停采線20m、31m、43m，均在影響范圍之內(nèi)，這樣的停采線顯然不合理，可見停采線至少距離軌道下山50m。

6-1S回采工作面停采線距軌道下山30m、40m、50m、60m、70m、80m的應(yīng)力云圖如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖12所示。

由以上各圖可知，當(dāng)6-1S回采工作面停采線距軌道下山30m、40m、50m時(shí)軌道下山、135石門、皮帶下山都處在采動(dòng)應(yīng)力影響的范圍之內(nèi)，當(dāng)6-1S回采工作面停采線距軌道下山60m時(shí)，軌道下山、135石門、皮帶下山的應(yīng)力均避開了煤柱的應(yīng)力升高區(qū)開始逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道不受到6-1S回采工作面采動(dòng)的影響，很好的維護(hù)巷道。6-1S回采工作面停采線距軌道下山70m、80m雖然也能很好的維護(hù)巷道的穩(wěn)定性，但是這樣增加了煤炭損失。綜上，6-1S回采工作面停采線距軌道下山60m是安全合理的停采線位置。

由6-1S工作面停采線距皮帶下山20m的應(yīng)力分布和前方支承壓力分布曲線可得出支承壓力影響范圍約40m，前方0～4m范圍為應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力值為2～8MPa，在工作面前方4.94～40m范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力值為8～36.6MPa，峰值出現(xiàn)在煤壁前方約4.94m，峰值約為36.6MPa，工作面前方45m的范圍外煤層基本未受到采動(dòng)影響，為原巖應(yīng)力區(qū)。此時(shí)的停采線距離軌道下山20m，距離135石門30.1m，距離皮帶下山43m，在前方支承壓力影響范圍之內(nèi)，這時(shí)的停采線顯然是不合理的。

4、結(jié)果分析

綜合以上三種情況的模擬可的出以下結(jié)論：

1）五區(qū)6-1S回采工作面前方2.1～60m范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力值為6.79～36.4MPa，峰值出現(xiàn)在煤壁前方4.93m，峰值為36.4MPa。

2）采用顯式的有限差分法求解的FLAC軟件模擬進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析得出了五區(qū)6-1S回采工作面停采線的位置。

3）五區(qū)6-1S回采工作面停采線距離軌道下山60m是安全合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991

[2]張順義，錢鳴高.礦山實(shí)用測(cè)試技術(shù).北京：煤炭工業(yè)出版社，1996

[3]陸士良，付國(guó)彬.采動(dòng)巷道巖體變形與錨桿錨固力變化規(guī)律.

[J]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（3）：201～203

[4]劉波，韓彥輝.FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南.人民交通出版社，2005

[5]董方庭，郭志宏.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[C].中國(guó)CSRM軟巖工程專業(yè)委員會(huì)第二屆學(xué)術(shù)論文集：52～60.

[6]Cai M，Kaiser P K.Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics mode [J].Tunnelling and Underground Space Techonlogy，2005，20（4）：301～310

[7]Fu Qiang， Shin HJ， Lee BJ， Han HK. Enhanced systemic exposure of fexofenadine via the intranasal administration of chitosan-coated liposome. Int J Pharm. 2012 Jul 1；430（1-2） ：161-6.