特厚煤層綜放面合理不放煤距離模擬分析

鮑永強(qiáng)

（煤炭工業(yè)汾西礦區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站， 山西 介休 032000）

文中采用ANSYS軟件建立綜放面回采的三維力學(xué)計(jì)算模型，然后導(dǎo)入更為適用于巖土及采礦工程的FLAC3D軟件中，分析在停采線煤柱分別為170 m、150 m、120 m、不放煤距離分別為 80 m、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(guī)律及1070回風(fēng)大巷、8105工作面中部回風(fēng)巷的變形及應(yīng)力變化規(guī)律。

1 工程概況

礦井主采石炭二疊3號(hào)、5號(hào)合并煤層，平均19.4 m。一盤區(qū)8105工作面東部與西部分別與8104、8106工作面相鄰；西部，南部是1070回風(fēng)巷、1070輔運(yùn)巷、1070皮帶巷三條主要大巷，留設(shè)的口泉鐵路保護(hù)煤柱位于工作面北部；煤層上方為其他煤礦14號(hào)、15號(hào)煤層采空區(qū)，14號(hào)煤層屬淺埋煤層，埋深為17.5～109.9 m，14號(hào)煤層至15號(hào)煤層相隔15.6～18.4 m，15號(hào)煤層與3號(hào)—5號(hào)煤層間隔為314～320 m，根據(jù)鉆孔柱狀圖可以得出，8105工作面煤層平均埋深約505 m。

圖1 8105工作面示意圖

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型的建立

建立計(jì)算模型時(shí)，模型大小為長(zhǎng)×寬×高=700 m×400 m×145 m。從底向上對(duì)模型分層定義底部20 m部分為細(xì)砂巖層底板、15 m煤層、8 m巖漿巖層頂板、16 m砂質(zhì)泥巖層、36 m粗砂巖層和上部50 m細(xì)砂巖層。

2.2 力學(xué)參數(shù)選取

材料模型定義為MonCoulomb模型，模型邊界條件設(shè)置中，除了模型頂部加載，其余五個(gè)邊界面全部約束，即固定X、Y、Z三個(gè)方向的位移。工作面平均埋深505 m，覆巖平均密度取2 500 kg/m3，則需在模型頂部施加9.87 MPa的垂直壓應(yīng)力。模型中各巖層參如表1所示[2-3]。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬方案設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬中需要分別對(duì)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(jìn)行分析，模擬方案如下：

1）根據(jù)前述的模擬結(jié)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(shí)，支承壓力對(duì)1070大巷及8105工作面中部回風(fēng)巷的影響。

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

3 合理不放煤距離模擬

由分析可知，停采線煤柱寬度可減少至150～160 m，在此種情況下，研究不同的不放煤距離對(duì)1070大巷及8105中部回風(fēng)巷的影響，原設(shè)計(jì)不放煤距離為距停采線80 m，模擬時(shí)取不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m進(jìn)行計(jì)算，8105工作面煤層底板切面的應(yīng)力如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著不放煤距離的減少，應(yīng)力的影響范圍逐漸增大，在圖3-1，3-2，3-3中如果以應(yīng)力集中系數(shù)1.12邊界為準(zhǔn)，隨著不放煤距離的減少，應(yīng)力的影響范圍逐漸增大，當(dāng)不放煤距離為0 m時(shí)，應(yīng)力影響范圍明顯增大，如圖3-4所示。

圖3 不同不放煤距離應(yīng)力云圖

8105工作面與1070回風(fēng)巷在不放煤距離為80 m、50 m、20 m和0 m四種情況下工作面回采對(duì)停采線煤柱內(nèi)部、8105中部回風(fēng)巷及1070回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力與變形影響程度進(jìn)行對(duì)比。

1）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時(shí)，停采線煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值分別為15.11 MPa、15.26 MPa、15.45 MPa、15.69 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.21、1.22、1.23、1.26；左幫的應(yīng)力峰值分別為 14.35 MPa、14.67 MPa、14.93 MPa、15.26 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為 1.15、1.17、1.19、1.22；右?guī)偷膽?yīng)力峰值分別為14.09 MPa、14.65 MPa、15.12 MPa、15.83 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為 1.13、1.16、1.20、1.25。隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱內(nèi)部及中部回風(fēng)巷的兩幫應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，其中從20 m縮小到0m，支承壓力存在一個(gè)較大的增幅，但應(yīng)力峰值與集中系數(shù)的最大與最小值相差0.91 MPa和0.12，整體變化范圍較小。

2）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時(shí)，巷道項(xiàng)底板移近量最大值分別為133mm、154mm、173mm、195 mm；兩幫移近量最大值分別為23 mm、26 mm、28 mm、32 mm；隨著不放煤距離減小，中部回風(fēng)巷頂?shù)装逦灰萍皟蓭鸵平孔畲笾刀荚黾?，特別是20 m減少到0 m時(shí)，增加明顯。

3）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時(shí)，左幫的應(yīng)力峰值分別為 14.01 MPa、14.04 MPa、14.10 MPa、14.18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為 1.12、1.12、1.13、1.14；右?guī)偷膽?yīng)力峰值分別為12.72 MPa、12.81 MPa、12.93 MPa、13.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.01、1.02、1.03、1.04，隨著不放煤距離減小，可以看出1070回風(fēng)巷兩幫所受應(yīng)力有所增加，兩幫應(yīng)力峰值最大與最小值相差0.43 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)相差0.03，整體上變化范圍不大，但是20 m減少到0 m時(shí)，增加幅度變大。

4）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為4 mm、6 mm、7.6 mm、10 mm；兩幫移近量最大值分別為5 mm、5.4 mm、6 mm、6.8 mm；隨著不放煤距離減小，1070回風(fēng)巷頂?shù)装逦灰萍皟蓭鸵平慷加兴黾?，尤其?0 m減少到0 m時(shí)，增幅較大。

4 結(jié)語(yǔ)

研究得出的特厚煤層綜放開(kāi)采條件下，隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱、8015工作面中部回風(fēng)巷及1070回風(fēng)大巷所受的垂直應(yīng)力、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量都有所增大，其?0 m減少到0 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力及變形程度較明顯，可以將不放煤距離為20 m時(shí)作為臨界放煤狀態(tài)，確定合理的不放煤距離為20 m。