煤體強(qiáng)度對煤壁穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

張志利

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西朔州038300）

支承壓力對開采煤層、頂?shù)装?、相鄰煤層及其作用范圍?nèi)的巖層會產(chǎn)生很大的影響。在發(fā)生沖擊地壓和煤層噴出的礦壓顯現(xiàn)中，支承壓力就是其源動力[1]。通常支承壓力會引起底鼓、片幫、冒頂?shù)?，妨礙開采計劃的順利實施，甚至對生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。

煤體強(qiáng)度也是導(dǎo)致煤壁片幫的主要因素，控制煤壁的水平位移會降低片幫的風(fēng)險。本文通過數(shù)值模擬方法針對煤體強(qiáng)度對煤壁的水平位移的影響進(jìn)行了模擬計算與分析。

1 工作面煤壁力學(xué)模型的建立

在分析了晉華宮礦7#煤層采用大采高綜采的可行性前期實驗室試驗以及相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，對煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并運用FLAC3D差分軟件建模計算[2]。

FLAC3D主要是用在上覆巖層的移動受力計算的專業(yè)軟件，對礦井地下開采所涉及的巖土力學(xué)問題只要參數(shù)輸入正確，模擬結(jié)果是可信的，為此在煤礦開采領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)地質(zhì)資料和物理力學(xué)參數(shù)及鉆孔柱狀圖建立模型。所建模型中頂板巖石層的厚度為50.25 m，7#煤層的厚度為6 m，底板巖層30.4 m。沒有模擬的上部巖層采用等效載荷方式施加在模型頂部。鉛直等效載荷主要考慮自重載荷為[3]：

其中：H為老頂上方未模擬頂板的厚度為280 m；ρ為煤巖層的視密度取平均,ρ=2.53 kg/cm3。

煤壁支護(hù)阻力p和采高M(jìn)的關(guān)系如下式：

由上式可知采高越大，支護(hù)阻力就越大。如果支護(hù)力小，不能維持上覆巖層的應(yīng)力重新分布的平衡，煤壁的支撐壓力增大導(dǎo)致煤壁的水平位移增大。用有限差分軟件建立的數(shù)值巖層結(jié)構(gòu)圖和等效應(yīng)力云圖，見圖1a，b。

圖1 力學(xué)模型

整個模型4個立面均固定法向位移。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)按試驗室測定數(shù)據(jù)給定，沒有試驗數(shù)據(jù)的巖層屬性按巖性的平均取值給定[4-5]。

2 不同煤體強(qiáng)度條件下煤壁的位移情況

針對晉華宮礦的地質(zhì)條件，考慮到斷層等地質(zhì)因素的影響下，部分區(qū)域煤層強(qiáng)度會發(fā)生變化，模擬了煤體強(qiáng)度變化條件下煤壁的位移情況。考慮在支護(hù)強(qiáng)度1.1 MPa的條件下，計算2 000時步，監(jiān)測煤壁距底板分別為1，2，3，4，5 m位置處節(jié)點的水平位移，模擬選取煤體強(qiáng)度分別為f=0.4，0.5，0.6，0.8，1.0共5種情況進(jìn)行考慮，計算得到的不同煤體強(qiáng)度下煤壁的水平位移曲線，見圖2（a，b，c，d，e）。

圖2 不同煤體強(qiáng)度下煤壁水平位移曲線圖

由圖2可看出，隨著煤體強(qiáng)度的增加煤壁最大水平位移在逐漸變小，距離底板越遠(yuǎn)采高越大。在圖形上表現(xiàn)為位移曲線變得扁平。但煤壁水平位移隨時間變化規(guī)律基本沒有因位置不同和煤體強(qiáng)度不同而有所變化。

3 結(jié)論

隨著煤體強(qiáng)度的增大，煤壁最大水平位移減小。當(dāng)煤體強(qiáng)度小于0.5時，煤體強(qiáng)度的增加對減小最大水平位移的作用極為明顯，但由于整體煤體較軟，在f=1.0以下時，煤體強(qiáng)度的增加對減小煤壁最大水平位移作用均較顯著。

由上述分析可見，晉華宮礦7#煤層采用大采高綜采，在一定的合理支護(hù)強(qiáng)度下，只要采煤速度較快，在6 m左右的采煤高度的情況下。在液壓支架額定工作阻力為12 000 kN情況下，采煤機(jī)割煤推進(jìn)速度保證每天進(jìn)兩個截深下，能保證煤壁不會片幫且來壓期間動載支架運行平穩(wěn)，工作面煤壁會保持相對穩(wěn)定。驗證了大采高工作面是可行的。

[1]賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]彭文斌.FLAC 3D實用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]肖學(xué).大采高綜采工作面上覆巖層移動規(guī)律及圍巖控制研究[J].山西煤炭，2012,32（11）:32-36.

[4]李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗教程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[5]朱世陽.厚煤層6.0 m采高液壓支架穩(wěn)定性研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2011.