特厚煤層綜放面煤壁坍塌影響數(shù)值模擬分析

邱玉銘

（山西潞安集團左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032600）

文中采用ANSYS軟件建立綜放面回采的三維力學計算模型，然后導入更適用于巖土及采礦工程的FLAC 3D軟件中，分析在停采線煤柱（分別為170 m、150m、120m）、不放煤距離（分別為80m、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回風大巷、8105工作面中部回風巷的變形及應力變化規(guī)律。

1 工程概況

某煤礦主采石炭二疊3號、5號合并煤層，平均19.4 m。一盤區(qū)8105工作面（如圖1所示）東部與西部分別與8104、8106工作面相鄰；西部和南部是1070回風巷、1070輔運巷、1070皮帶巷三條主要大巷，留設(shè)的口泉鐵路保護煤柱位于工作面北部；煤層上方為麻地灣煤礦14號、15號煤層采空區(qū)，14號煤層屬淺埋煤層，埋深為17.5～109.9 m，14號煤層至15號煤層相隔15.6～18.4 m，15號煤層與3號～5號煤層間隔為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。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型的建立

建立計算模型時，模型大小為長×寬×高為700 m×400 m×145 m。從底向上對模型分層定義底部20 m部分為細砂巖層底板、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細砂巖層。

2.2 力學參數(shù)選取

圖1 8105工作面示意圖

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，其余五個邊界面全部約束，即固定x、y、z三個方向的位移。工作面平均埋深505 m，覆巖平均密度取2500 kg/m3，則需在模型頂部施加9.87 MPa的垂直壓應力。模型中各巖層參如表1所示[2-3]。

表1 巖石力學參數(shù)

2.3 模擬方案設(shè)計

數(shù)值模擬中需要分別對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，支承壓力對1070大巷及8105工作面中部回風巷的影響。

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時煤壁坍塌對停采線煤柱及巷道應力及圍巖變形的影響。

3 考慮煤壁坍塌影響數(shù)值模擬

在停采線煤柱最小側(cè)寬度為150 m時，研究不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m時煤壁處坍塌對煤柱及巷道應力及變形的影響，模擬時將機采面煤壁頂部以45°角向斜上方、垂直高度為20 m的范圍假定為坍塌范圍，模擬計算后8105工作面煤層底板切面的應力云如圖2所示。

從圖2中可以看出，考慮煤壁坍塌時，不同不放煤距離的應力峰值和影響范圍都逐漸增大。在圖2-1、2-2、2-3中如果以應力集中系數(shù)1.12邊界為準，隨著不放煤距離的減少，應力的影響范圍逐漸增大，當不放煤距離為0 m時，應力影響范圍明顯增大，如圖2-4所示。

圖2 考慮煤壁坍塌時不同不放煤距離應力云圖

煤壁坍塌時不放頂煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m四種情況下，工作面回采對煤柱內(nèi)部及巷道圍巖應力與變形影響程度的對比曲線圖。

1）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，停采線煤柱內(nèi)部應力峰值分別為15.20 MPa、15.34 MPa、15.53 MPa、16.71 MPa，應力集中系數(shù)分別為 1.20、1.22、1.23、1.26；左幫的應力峰值分別為 14.40 MPa、14.76 MPa、15.07 MPa、15.4 MPa，應力集中系數(shù)分別為 1.16、1.18、1.20、1.23；右?guī)偷膽Ψ逯捣謩e為 14.20 MPa、14.71 MPa、15.23 MPa、15.93 MPa，應力集中系數(shù)分別為 1.13、1.17、1.20、1.27?？梢钥闯?，考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱內(nèi)部及中部回風巷兩幫的應力峰值逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；同樣的不放煤距離情況下，相比不考慮坍塌而言，圍巖應力都有較小程度的增大。

2）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為136 mm、159 mm、178 mm、199 mm；兩幫移近量最大值分別為 24 mm、27 mm、29 mm、33 mm。可知，在考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平慷贾饾u增大，其中從20 m減少到0 m時，巷道兩幫移近量增幅較大；在同樣的不放煤距離情況下，相比不考慮坍塌時而言，巷道變形都較小范圍的增大。

3）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20m、0m時，大巷左幫的應力峰值分別為14.06 MPa、14.1l MPa、14.17 MPa、14.26 MPa，應力集中系數(shù)分別為 1.125、1.129、1.134、1.141；右?guī)偷膽Ψ逯捣謩e為 12.8 MPa、12.9 MPa、13.08 MPa、13.25 MPa，應力集中系數(shù)分別為 1.02、1.03、1.04、1.06；考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，1070巷道兩幫的應力峰值逐漸增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；在相同的不放煤距離情況下，考慮煤壁坍塌與不考慮時相比，應力及應力集中系數(shù)都有所增大，但增加程度較小。

4）考慮煤壁坍塌，不放煤距離為80 m、50 m、20 m、0 m時，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為4.3 mm、6.2 mm、8.1 mm、10.3 mm；兩幫移近量最大值分別為 5.21 mm、5.6 mm、6.3 mm、7.3 mm；考慮坍塌時，隨著不放煤距離的減少，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰贫贾饾u增大，其中從20 m減少到0 m時，增加程度相對較大；在同樣不放煤距離情況下，考慮煤壁坍塌與不考慮時相比，巷道變形都有所增大，但增加程度較小。

4 結(jié)論

由于大采高工作面采高比較大，礦壓顯現(xiàn)強烈，所以在特厚煤層綜放面生產(chǎn)過程中，常發(fā)生大面積片幫的情況，嚴重威脅工作面生產(chǎn)安全，文中以某礦8105工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬的研究手段，制定了放頂煤與不放頂煤情況下的煤壁坍塌模型，對工作面煤壁坍塌進行了分析。在進行特厚煤層綜放工作面考慮煤壁坍塌與不考慮坍塌時相比，在同樣不放煤距離的情況下，煤柱內(nèi)部應力及巷道圍巖變形都有所增加。因此，設(shè)計停采煤柱時，應考慮煤壁坍塌的影響。

論文研究得出的特厚煤層綜放開采條件下，停采線煤柱應力分布規(guī)律及臨近巷道圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律的研究成果，對類似開采條件的特厚煤層綜放工作面，留設(shè)合理的停采線煤柱及合理的不放煤距離，有一定的指導意義。