综放开采顶煤破坏规律数值模拟研究

吴雪峰

综放开采顶煤破坏规律数值模拟研究

吴雪峰

根据斜沟煤矿13#煤层赋存情况，运用FLAC3D数值模拟方法对厚煤层综放开采主要影响因素进行研究，得到了各因素影响规律。各因素与顶煤破坏综合指标显著相关，对影响程度进行主次排序：埋深→煤单轴抗压强度→工作面长度→支架支撑力→煤厚。

厚煤层；综放开采；数值模拟；顶煤

1 矿井概况

斜沟煤矿13#煤层位于太原组下部，上距8#煤层38.10 m～78.10 m、平均 52.42 m，下距 S1砂岩15.97 m～36.94 m、平均 23.76 m；煤层厚度为5.95 m～16.68 m，平均14 m，为结构简单层位稳定的全区可采煤层，是勘探区内的又一主采煤层；含夹矸0层～6层、一般为0层～3层，夹矸厚度为0.00 m～0.90 m、一般为0.08 m～0.43 m；顶板岩性为砂质泥岩和泥岩，老顶为中粗粒砂岩，常见炭质泥岩伪顶；底板岩性为泥岩和砂质泥岩，有时为粉砂岩或泥灰岩，普遍存在着炭质泥岩伪底。

2 计算方案及模拟过程

2.1 计算方案

影响综采放顶煤工作面顶煤破坏的主要有埋深、煤厚、煤的硬度、工作面长度、支架支撑力5个因素。对每个因素设计5个水平（见表1），组成25个正交实验方案。

表1 试验因素与水平

2.2 计算模型

运用FLAC3D软件建立三维数值模拟模型。取工作面推进方向为X轴，工作面长度方向为Y轴，垂直方向为Z轴，设计煤层为近水平煤层。图1为模型三维几何尺寸、网格划分和边界条件。

模型中煤岩层的物理力学参数见第2页表2。

2.3 模拟过程

在模拟时，每次开挖3 m，设计采高3 m，待平衡后，再开挖3 m，再计算至平衡。以此循环，直至工作面推进120 m。在模拟中，顶煤及顶板垮落厚度根据各方案所开采的煤层厚度不同而异，岩石垮落后的碎胀系数按1.25考虑。

2.4 评价指标

在工作面推进过程中，顶煤逐步由弹性变形进入塑性状态，顶煤单元破坏强度与支撑压力间存在明显的对应关系。因此，以岩石的强度理论为基础，计算顶煤各单元破坏程度的大小，称破碎系数，然后将破碎系数累加后平均，即可得到综合量Y。Y值为顶煤单元平均的破碎系数大小，能够反映顶煤冒放性的好坏。

表2 煤岩物理力学性质

式中：Yi——顶煤破坏综合指标；

Vi——单元体积；

Zi——支架控顶区域顶煤单元的破坏系数，其值越大顶煤单元的破坏程度越高；

i——单元编号。

各方案顶煤破坏结果见表3。然后分别对各因素作一元回归分析，得出各因素对顶煤破坏综合指标的影响规律，见第3页图2。

表3 各因素按水平分组的顶煤破坏综合指标的平均值

由图2可以得到各因素对顶煤破坏的影响规律，但煤体从完整到破坏再到放落下来是各个因素综合作用的结果，而以上单因素的回归分析不能明确地表明各因素之间的影响程度和主次排序，为此将上述的埋深H、煤厚M、工作面长度L、煤单轴强度Rc、支架支撑力P0等5个因素一起作多元回归分析，得：

该式的相关检验系数R2=0.864 2，F检验为24.189 1＞F0.05=2.74，相关性显著。

运用该式可以计算任一煤层的顶煤破坏综合指标值。

为了得出埋深H、煤厚M、工作面长度L、煤单轴强度Rc、支架支撑力P0等5个因素对顶煤破坏性影响的主次排序，在此引入极差分析（各因素在不同水平下的顶煤破坏综合指标Y的最大值减去最小值），根据各因素极差大小，得出对顶煤破坏综合指标Y影响程度的主次排序为：

埋深H=0.654-0.29=0.364＞煤单轴抗压强度Rc=0.702-0.394=0.308＞工作面长度L=0.58-0.406=0.174＞支架支撑力P0=0.554-0.496=0.058＞煤厚=0.53-0.494=0.036。

3 结论

①厚煤层综放开采时，对顶煤破坏综合指标影响因素主次排序为：埋深→煤单轴抗压强度→工作面长度→支架支撑力→煤厚。

②运用多元回归分析，得出各因素对顶煤破坏综合指标相关关系为：Y=0.000 96H-0.006 5M+0.000 467Rc-0.017 5L-0.000 002P0+0.382 93。该式的相关检验系数R2=0.864 2，F检验为24.189 1＞F0.05=2.74，相关性显著。运用该式可以计算任一煤层的顶煤破坏综合指标值。

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Numerical Simulation Study on Top Coal Damage Law in Fully Mechanized Top-coal Caving

Wu Xuefeng

Based on occurrence situation of 13#coal seam in Xiegou.Though FLAC3Dnumerical simulation method,the main influence factors law about thick seam mining is studied and the influence factors are obtained.Destruction of various factors and comprehensive index of top coal was significantly related.The extent of primary and secondary sort:the depth of coal seam→uniaxial compressive strength of coal→the length of working face in turn by the influence extent→the stents support force→seam thickness.

thick coal seam;fully mechanized top-coal caving;numerical simulation；top coal

TD821

A

1000-4866（2011）04-0001-03

吴雪峰，女，1971年1月出生，1993年6月毕业于兰州大学（经济地理与城乡区域规划专业），现在大同煤炭职业技术学院任教。

2011-07-29

2011-08-11