基于數(shù)值模擬的小紀(jì)汗煤礦11215工作面礦壓規(guī)律研究

魏璐暉

摘 要：小紀(jì)汗煤礦11215大采高工作面回采過程中，頂板會先后存在兩種邊界支撐條件，即三邊固支、一邊簡支的前段和兩邊簡支、兩邊固支的后段。本研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別對前、后兩段工作面覆巖運動破斷過程及圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行模擬，通過運算得到不同邊界支撐條件下工作面基本頂?shù)闹芷谄茢嗲闆r和來壓步距。通過對前、后兩段工作面礦壓規(guī)律的對比得知，后段工作面回采時，工作面中下部壓力水平增高，來壓更為劇烈，建議提高該區(qū)域液壓支架的支撐強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：邊界支撐條件;數(shù)值模擬;工作面;礦壓規(guī)律

中圖分類號：TD323文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0080-03

Abstract： During the stoping process of the 11215 large mining height working face in Xiaojihan Coal Mine， there will be two boundary support conditions successively on the roof， namely three-side fixed support， one-side simply supported front section， and two-side simple support， two-side fixed-supported rear section. In this study， FLAC3D numerical simulation software was used to simulate the breaking process of overlying rock movement and the stress change of surrounding rock in the front and back sections of the working face， through calculation， the periodic breakage of the basic top of the working face and the stepping distance under different boundary support conditions were obtained. Through the comparison of the rock pressure law of the front and back two working faces， it is known that when the back working face is stopped， the pressure level in the middle and lower parts of the working face increases， and the pressure is more severe， it is recommended to increase the support strength of the hydraulic support in this area.

Keywords： boundary support conditions;numerical simulation;working face;rock pressure law

我國擁有非常豐富的煤炭資源，現(xiàn)已探明的煤炭資源儲量達(dá)到1.42萬億t，在已探明的儲量中，厚煤層資源占比達(dá)到44%左右，在我國每年原煤產(chǎn)量中占45%左右。國內(nèi)大型煤炭骨干生產(chǎn)企業(yè)的主力生產(chǎn)礦井多數(shù)都大力發(fā)展厚煤層開采技術(shù)[1-3]，其中，大采高采煤方法已成為我國各大礦區(qū)尤其是陜北侏羅紀(jì)煤田各礦區(qū)的重要采煤方法。在采用大采高采煤方法的過程中，人們經(jīng)常會遇到頂板邊界條件不同引起的不同程度和形式的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究和討論這種變化規(guī)律不僅對礦井的工作面頂板管理和安全高效回采具有指導(dǎo)意義，而且可為類似地質(zhì)條件礦井的開采提供參考依據(jù)。

1 研究對象

1.1 選取研究對象

本研究選取小紀(jì)汗煤礦11215工作面為研究對象，由于其一側(cè)為11213工作面采空區(qū)、一側(cè)為規(guī)劃的11217實體煤工作面，各工作面間區(qū)段煤柱寬度為20 m，11215大采高工作面回采過程中，頂板會先后存在兩種邊界支撐條件，一是三邊固支、一邊簡支的前段，即圖1中I區(qū)（單工作面段），二是兩邊簡支、兩邊固支的后段，即圖1中Ⅱ區(qū)（單側(cè)臨空段）。工作面在回采過程中會經(jīng)歷不同邊界條件，符合研究的需要。

1.2 工作面概況

11215工作面位于2煤層11盤區(qū)，工作面巷沿煤層走向布置，工作面沿煤層傾向布置，11215工作面布置了一條帶式輸送機(jī)巷、一條輔運巷、一條回風(fēng)巷。工作面開采2號煤層，煤層平均傾角為2°，煤層均厚為4.56 m，該工作面直接頂為均厚1.86 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為均厚12.4 m的長石砂巖，直接底為均厚1.52 m的砂質(zhì)泥巖，基本底為均厚8.2 m的中砂巖。

2 建立模型與確定模擬方案

2.1 建立模型

以小紀(jì)汗煤礦2號煤層11215工作面實際開采情況及工程地質(zhì)條件為背景，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，2號煤層均厚取4.56 m，2號煤層為近水平煤層，建模時以近水平煤層建模。模型中11215工作面長度取280 m，11213工作面采空區(qū)長度取100 m，兩工作面間的區(qū)段煤柱寬度取20 m，考慮到邊界效應(yīng)的影響，在兩工作面兩側(cè)分別留40 m長的實體煤，確定模型長度為400 m，工作面推進(jìn)長度為200 m，模型高度取99 m，因此最終確定的數(shù)值計算模型尺寸為：長×寬×高=400 m×280 m×99 m，模型共有66 304個單元、693 781個節(jié)點。

2.2 確定模擬方案

11215大采高工作面一側(cè)為11213工作面采空區(qū)一部分，另一側(cè)為11217工作面（規(guī)劃未開采），模擬11215工作面向前推進(jìn)過程，其可分為兩個階段。

11215工作面從開切眼開始向前推進(jìn)100 m，此時11215工作面兩側(cè)均為實體煤;11215工作面由100 m位置推進(jìn)至200 m，此時11215工作面一側(cè)為11213工作面采空區(qū)，一側(cè)為實體煤，即處于一側(cè)實體一側(cè)采空情況。通過模擬11215工作面向前回采，對工作面覆巖塑性區(qū)發(fā)育變化進(jìn)行分析。數(shù)值模擬模型計算過程為：建立模型→初始應(yīng)力平衡→工作面循環(huán)開挖→輸出計算結(jié)果。數(shù)值模擬方案中，工作面位置關(guān)系如圖2所示。

3 模擬工作面推進(jìn)過程中覆巖運動變形規(guī)律

3.1 正常推進(jìn)過程（I區(qū)）中覆巖運動變形規(guī)律

在兩側(cè)都為實體煤的情況下，通過計算機(jī)數(shù)值模擬得到11215工作面推進(jìn)過程中上覆巖層的應(yīng)力變化情況，如圖3所示，上覆巖層的破斷變形情況如圖4所示，依次為40、55、72 m處。

分析上述模擬結(jié)果可得，工作面回采會在其前方及兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，11215工作面超前支承壓力影響區(qū)為工作面前方10～55 m范圍，應(yīng)力峰值處于其前方15～25 m范圍，其垂直應(yīng)力可達(dá)到29.93 MPa，動壓影響系數(shù)為1.8左右;自工作面煤壁開始，其后方20～50 m范圍為覆巖離層區(qū)，再往后50～100 m為采空區(qū)壓實區(qū);工作面兩側(cè)應(yīng)力側(cè)向支承壓力影響區(qū)域為5～10 m，應(yīng)力峰值處于6～8 m，其峰值應(yīng)力可達(dá)到26.9 MPa，動壓影響系數(shù)為1.7左右。

隨著工作面向前推進(jìn)到40 m，基本頂達(dá)到極限垮落步距，產(chǎn)生離層破斷，發(fā)生初次來壓，故初次來壓步距為40 m。工作面上覆巖層形成垮落、裂隙、彎曲下沉三帶，沿工作面傾向形成一個“卸壓拱”，該處為應(yīng)力降低區(qū)，巖層內(nèi)部垂直應(yīng)力基本處于0～5 MPa，垮落的頂板巖層作用到液壓支架上，液壓支架的所承受的垂直應(yīng)力為35 MPa。

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，工作面頂板發(fā)生周期性的破斷變形，即基本頂發(fā)生周期來壓，周期破斷來壓步距為14～17 m，平均為15 m左右。周期來壓期間，支架所承受的垂直應(yīng)力處于32～38 MPa。

3.2 11215工作面通過11213工作面采空區(qū)時（II區(qū)）覆巖運動變形規(guī)律

在通過11213工作面采空區(qū)時，通過計算機(jī)數(shù)值模擬計算得到11215工作面推進(jìn)過程中上覆巖層的應(yīng)力變化情況，如圖5所示。上覆巖層的破斷變形情況如圖6所示，依次為110、122、136 m處。

11215工作面通過11213工作面采空區(qū)時，沿工作面傾向看，工作面上覆巖層垮落形成“三帶”，其上覆巖層內(nèi)部垂直應(yīng)力仍呈現(xiàn)為一個“卸壓拱”，而11213工作面采空區(qū)上覆巖層也有“卸壓拱”存在，形成雙拱結(jié)構(gòu)，該處為應(yīng)力降低區(qū)，巖層內(nèi)部垂直應(yīng)力基本處于0～5 MPa。11213工作面回采過后，會沿著煤柱邊緣產(chǎn)生采空側(cè)懸頂結(jié)構(gòu)，隨后對工作面進(jìn)行循環(huán)開挖推進(jìn)，當(dāng)工作面向前推進(jìn)110、122、136 m時，如圖7所示，頂板發(fā)生周期性的破斷變形，即基本頂?shù)闹芷谄茢鄟韷翰骄酁?0～14 m，平均為12 m左右。工作面周期來壓期間，支架所承受的垂直應(yīng)力處于35～40 MPa。由此可見，工作面正常推進(jìn)和單側(cè)采空推進(jìn)過程中，支架所承受的垂直應(yīng)力變化不是很大，但是靠近采空區(qū)一側(cè)的工作面端頭支架將受采空側(cè)懸頂結(jié)構(gòu)的影響，該區(qū)域的支架應(yīng)力會增大。

4 結(jié)論

通過FLAC3D數(shù)值計算結(jié)果，在正常推進(jìn)情況下，11215基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m，基本頂?shù)闹芷谄茢鄟韷翰骄酁?4～17 m，平均為15 m左右;后段回采動壓影響下，基本頂?shù)闹芷谄茢鄟韷翰骄酁?0～14 m，平均為12 m左右。在通過11213工作面采空區(qū)情況下，11215工作面回采會在其前方及兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于其一側(cè)為11213工作面采空區(qū)，11215工作面后段回采動壓和11213采空區(qū)前段回采側(cè)向支承壓力會形成應(yīng)力疊加。在實際回采過程中，為了加強(qiáng)11215工作面中下部頂板管理，建議提高該區(qū)域液壓支架的支撐強(qiáng)度。

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