復合厚煤層孤島工作面沖擊地壓的數(shù)值模擬

王 平，趙 冉，秦 濤

( 1．北京礦冶研究總院，北京100070; 2．承德銅興礦業(yè)有限責任公司，河北承德067250; 3．黑龍江科技大學黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室，哈爾濱150022)

復合厚煤層孤島工作面沖擊地壓的數(shù)值模擬

收稿日期: 2013-11-05
基金項目:黑龍江省普通高校采礦工程重點實驗室開放課題( KF2013-06)
第一作者簡介:王 平( 1983-)，男，江西省撫州人，工程師，博士研究生，研究方向:地壓、采空區(qū)監(jiān)測等，E-mail: 277240217@ qq．com。

王 平1，趙 冉2，秦 濤3

( 1．北京礦冶研究總院，北京100070; 2．承德銅興礦業(yè)有限責任公司，河北承德067250; 3．黑龍江科技大學黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室，哈爾濱150022)

復合厚煤層發(fā)生沖擊地壓動力災害事故，嚴重地影響礦山的安全生產(chǎn)。以南屯煤礦兩邊采空的9303復合厚煤層孤島工作面為工程背景，利用Flac數(shù)值模擬軟件，研究同一開采條件下，單一硬煤、軟煤及復合厚煤層孤島工作面回采過程中的采場壓力分布規(guī)律，并進行對照模擬。結果表明:復合煤層支撐應力峰值小于單一硬煤和單一軟媒。復合厚煤層工作面回采見方階段時，產(chǎn)生明顯的集中應力，易出現(xiàn)動力災害事故。該研究成果在南屯煤礦實際開采中得到應用。

沖擊地壓;數(shù)值模擬;復合厚煤層;采場壓力

近年來，隨著我國煤礦開采深度不斷增加，以前認為不易發(fā)生動力災害的復合型厚煤層工作面[1]，已陸續(xù)發(fā)生了較嚴重的沖擊地壓事故。為了減少這些事故的發(fā)生，目前，數(shù)值模擬技術成為研究礦山?jīng)_擊地壓的一種通用技術手段[2-9]。但是，用于復合厚煤層沖擊地壓的研究文獻甚少。鑒于復合厚煤層的特殊性，筆者利用數(shù)值分析方法，對復合厚煤層孤島工作面采場壓力分布規(guī)律進行研究，以期將基于采場壓力分布的復合厚煤層沖擊地壓的研究結果，應用到實際中。

1復合厚煤層孤島工作面數(shù)值模型

1. 1 模型設計

南屯煤礦一側為采空區(qū)的9304工作面，在回采過程中發(fā)生了嚴重的沖擊地壓事故，巷道被摧毀100余m。與9304工作面條件(煤層組成及頂板分布)相似的9303工作面，其兩邊都為采空區(qū)，預計該工作面發(fā)生礦山動力災害的可能性將比9304工作面更嚴重。

文中以南屯煤礦兩邊采空的9303復合厚煤層孤島工作面為工程背景，通過Flac軟件模擬，分析兩邊為采空區(qū)的單一硬煤、軟煤和復合型煤層工作面回采過程中的采場礦壓分布規(guī)律，進而對復合型煤層采場礦壓分布的規(guī)律進行針對性研究。

模型設計的煤層開采傾角為0°，采深為590 m，單一硬煤和軟煤煤層厚度均為6 m，復合厚煤層中硬煤和軟煤均為3 m，工作面寬度為111 m。建立的三維模型，長、寬、高分別為540、500和310 m，其中，高度方向離煤層距離310 m范圍內(nèi)應用巖層建模，另外310 m以上的280 m巖層以均布載荷代替其巖層的重量。計算模型劃分162 680六面體單元網(wǎng)格，其節(jié)點數(shù)為172 200，所建的模型如圖1所示。

圖1 計算模型平面Fig．1 Schematic model plane

模型側面邊界約束水平位移，模型底面邊界約束豎直方向位移，模型上部邊界以均布載荷代替其上覆巖層的重量，模型邊界施加相應的水平應力。采用分步開挖模擬采動影響，每步開挖20 m。模型網(wǎng)格及邊界分布如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格與邊界分布Fig．2 Model grid and boundary distribution

1. 2 材料參數(shù)及特性

根據(jù)南屯煤礦9303復合型工作面煤層柱狀圖，煤層頂板及上覆巖層主要為泥巖、細砂巖、砂巖和中礫巖，底板主要為粉砂巖?；?303工作面柱狀圖的巖層和煤層的巖石力學參數(shù)，由實驗結果并考慮尺寸效應確定。同時，采空區(qū)冒落巖石為松散介質，賦予彈性支承體，表示它對上覆巖層有支承作用。煤層及覆巖參數(shù)見表1。

表1數(shù)值模擬材料參數(shù)Table 1 Numerical simulation material parameters

2復合厚煤層采場壓力分布規(guī)律

2. 1傾向方向的采場壓力分布

通過對比分析，當單一硬煤、軟煤和復合型煤層三種模型工作面的兩邊實體煤回采為采空區(qū)，離切眼60 m(預計老頂初次斷裂位置)處三種煤層工作面沿傾向工作面壓力分布如表2所示。

表2離切眼60 m處沿傾向工作面壓力分布Table 2 60 m away from cut face at pressure distribution along tendency

通過對比得出，煤層中夾有的軟煤層，起到了一定的卸壓效果，同時軟煤層的存在使得煤體支承壓力的峰值往深部轉移，軟夾層的作用見如圖3。

圖3 不同煤層支承壓力分布Fig．3 Different coal bearing pressure distribution

2. 2回采過程中走向方向采場壓力分布

當采準工作完成后，工作面逐漸回采。在回采過程中，工作面在不同推進階段時，走向支承壓力都將產(chǎn)生較大差異。當工作面推采到離切眼分別為40、60、80、100、120、140、160、180和260 m時，對工作面走向和傾向支承壓力的分布進行研究，并加以對照分析，得出復合型厚煤層回采過程中采場壓力的分布規(guī)律。根據(jù)數(shù)值計算的結果，單一硬煤、軟煤及復合厚煤層沿走向支承壓力分布特征，如圖4所示。由圖4可知，單一軟煤層和復合煤層工作面在相同回采階段支承壓力的峰值( pmax)要比單一硬煤工作面支承壓力的峰值小，軟煤層工作面在相同回采階段支承壓力的峰值又要比復合煤層工作面支承壓力峰值小，且三種煤層隨著工作面的回采，支承壓力的變化趨勢比較相似。由圖5還可見，當工作面達到120 m左右時，復合厚煤層最大支持壓力出現(xiàn)拐點，且應力值達到43 MPa，屬于高應力集中區(qū)域，是易發(fā)生沖擊地壓事故的危險區(qū)。

圖4 超前最大支承壓力與煤壁距離的關系Fig．4 Maximum bearing pressure ahead of each seam coal wall distance and distance control chart

圖5 是從不同推進階段煤層沿水平面的垂直應力云圖。由圖5可以明顯的看出，靠近9301工作面的巷道超前支承壓力影響的范圍比另一側要大，表明回采過程中，對靠近9301采空區(qū)巷道的超前支護的范圍，應該比靠近9305采空區(qū)巷道的超前支護范圍大。

圖5 煤層沿水平面的垂直應力云圖Fig．5 Cut along horizontal plane at vertical seam stress cloud

3基于數(shù)值計算結果的現(xiàn)場應用

為了避免9303工作面中間巷道發(fā)生沖擊地壓，根據(jù)數(shù)據(jù)計算結果，采取在中間巷上下幫分別施工直徑110 mm、孔深25 m的大孔徑深孔，進行預卸壓，并在工作面“見方階段”加強支護的措施。

工作面中間巷下幫鉆孔過程發(fā)生的動力現(xiàn)象統(tǒng)計，如圖6所示。由圖6可以看出，在中間巷下幫鉆孔過程中，煤炮與吸鉆的動力現(xiàn)場都集中在h = 15～20 m附近，表明工作面開采前，傾向支承壓力峰值在15～20 m，而設計25 m鉆孔長度，可以通過應力峰值區(qū)，起到使支承壓力峰值往深部轉移的效果。

圖6 下幫鉆孔過程中發(fā)生動力現(xiàn)象統(tǒng)計Fig．6 Help under dynamic phenomena that occur during drilling charts

在工作面回采到126 m左右時，即見方附近，發(fā)生了2. 6級的礦震。由于提前做好了加強支護措施，所以大大降低礦震帶來的危害，確保了工作面的安全生產(chǎn)。

4結論

結合9303復合厚煤層工作面的實際條件，利用Flac數(shù)值軟件，模擬分析了該工作面的采場礦壓分布規(guī)律，得出以下結論:

( 1)相同回采條件(地質、開采、采高及回采距離)下的單一硬煤、軟煤及復合煤層，由采動造成的支承應力峰值表現(xiàn)為，復合厚煤層支承應力峰值小于單一硬煤大于單一軟煤，即復合厚煤層中的軟煤層表現(xiàn)出一定的卸壓性能。

( 2)復合厚煤層工作面在回采到見方階段時，煤壁前方沿傾向支承壓力達到較大值，即在工作面見方附近，將產(chǎn)生較明顯的應力集中，易出現(xiàn)動力災害事故。

( 3)根據(jù)數(shù)值分析的結果得出，預防工作面沖擊地壓卸壓措施的參數(shù)不同于普通煤層，需要進行優(yōu)化設計。

[1] 姜福興，王 平，馮增強，等．復合型厚煤層“震-沖”型動力災害機理、預測與控制[J]．煤炭學報，2009，34( 12) : 1605-1609．

[2] 王金安，劉 航，韋文兵．煤礦近斷層地下開采動力災害數(shù)值模擬研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26( 3) : 29-32．

[3] 石必明，俞啟香，周世寧．保護層開采遠距離煤巖破裂變形數(shù)值模擬[J]．中國礦業(yè)大學學報，2004，33( 3) : 25-29．

[4]郝志勇，林柏泉，張家山，等．基于UDEC的保護層開采中覆巖移動規(guī)律的數(shù)值模擬與分析[J]．中國礦業(yè)，2007，16( 7) : 81-84．

[5] 秦 濤，齊宏偉，劉永立．桃山煤礦薄煤層群切頂巷區(qū)域應力特征數(shù)值分析[J]．黑龍江科技學院學報，2012 ( 5) : 461-465．

[6] 劉志河．應力控制方法及其在采場圍巖控制中的應用[D]．青島:山東科技大學，2006．

[7] 秦 濤，劉永立，馮俊杰，等．急傾斜煤層巷幫變形失穩(wěn)數(shù)值模擬[J]．遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2013( 5) : 582-586．

[8] 劉 林．開采保護層保護效果及范圍的數(shù)值模擬研究[J]．礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32( 6) : 6-9．

[9] 趙術江，袁 越，李東發(fā)．軟巖特大斷面硐室卸壓支護技術研究[J]．煤炭工程，2013( 2) : 72-75．

(編輯 徐 巖)

Composite thick seams burst numerical simulation and analysis on isolated island working face

WANG Ping1，ZHAO Ran2，QIN Tao3
( 1．Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy，Beijing 100070，China; 2．Chengde Tongxing Mining Limited Liability Company，Chengde 067250，China; 3．Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

This paper is driven by the need for a solution to the rock burst occurring in composite thickness coal seam and seriously affecting mine production safety．This solution builds on the engineering background typical of No．9303 stope in Nantun coal mine with both sides of thick coal seams which have been mined．The paper，based on Flac numerical simulation software，offers a study and comparative simulation of the law governing the distribution of the stope pressure occurring in single hard coal，soft coal and single composite thick coal seam of island face，under the same mining conditions．The results show that support peak stress is smaller for a composite coal seam than for a single seam coal and soft seam coal．When mined in the square stage，the composite thick seams tend to produce the significant stress concentration，which is more likely to trigger dynamic disasters and accidents．The study has found use in the Nantun actual coal mining．

rock burst; numerical simulation; composite thickness coal seam;stope pressure

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 003

TD324

2095-7262( 2014) 01-0011-04

A