大倾角煤层开采矿压显现规律数值模拟①

石建军 师皓宇 刘宏伟

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.威信云投粤电煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

大倾角煤层开采矿压显现规律数值模拟①

石建军1②师皓宇1刘宏伟2

(1.华北科技学院安全工程学院，北京 东燕郊 101601;2.威信云投粤电煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

基于云南观音山煤矿已有的煤层地质条件，采用数值模拟软件FLAC3D，建立了大倾角软顶底板煤层数值模型，模拟分析了工作面回采时煤壁内应力分布、顶板下沉及底板鼓起情况。根据数值模拟结果分析，其工作面的初次来压步距在20m左右。研究了工作面推至100m时，沿工作面走向和倾向的垂直应力和变形分布规律。对现场矿山压力控制具有一定参考价值。

大倾角;数值模拟;矿压显现;应力与变形

1 地质条件

威信云投粤电扎西能源有限公司观音山井田可采煤层为C1、C5两层，矿井投产时移交西一一、西一二采区，两采区开采范围内C5煤层全区可采，西一一采区煤厚最厚11.51 m，平均在4.37～6.59 m 之间，煤层倾角 32°～39°，西一二采区西翼C5煤层厚在2.52～2.61 m之间，煤层倾角40°;总体上煤层有由浅至深厚度变薄、倾角逐渐变缓的趋势。

煤层直接顶板一般为深灰色泥岩，局部为泥质灰岩，厚度0.09～4.6m，一般0.5～1.5m;直接底板为浅灰色泥岩、砂质泥岩，厚0.5～2.87m，一般1～2 m。可采煤层特征见表1。

表1 可采煤层特征表

2 建立FLAC3D计算模型

本次模拟内容是:采场初次来压规律;研究工作面各位置处的支承应力分布规律［1-3］。

岩石力学参数表如表2所示。

表2 岩石力学参数表

建立与工作面实际地质条件和生产条件相似的三维FLAC计算模型。工作面倾向长度为120 m，走向长度为100 m，留100～120 m的边界，模型高度为390m。模型的侧面限制水平移动，模型的底面限制水平移动和垂直移动，模型的上部施加上覆岩层的自重应力。研究范围内的岩层采用莫尔库仑模型。根据以上条件建立的FLAC三维模型，共有66888单元块、72887节点，如图1所示。

图1 巷道位置关系图

3 初次来压步距模拟

模拟从距模型边界100m处向前推进，每隔5m分析一次煤体内的垂直应力，根据工作面煤壁内的垂直应力变化来确定其初次来压步距，计算结果如图2-4所示。

图2 切眼处煤壁内的垂直应力云图

图3 工作面推采至20 m处煤壁内的垂直应力

根据初次来压规律可知，其工作面的初次来压步距在20 m左右［4-5］。

图4 煤壁垂直应力与推采距离关系图

4 工作面推至100 m时沿走向的垂直应力和变形分布规律

模拟工作面推至100 m时，研究工作面后方采空区50 m、20 m、10 m、工作面处及工作面前方10 m、30 m处的垂直应力、围岩变形，通过统计其变化来研究工作面采前和采后的围岩应力变化规律和变形规律。

图5-6为工作面后方50 m处的垂直应力和变形曲线图，从图中可以看出，回风巷煤壁内的最大集中应力为11～12 MPa，运输巷煤壁内的最大集中应力为15～16 MPa，顶板上方30 m内的垂直应力小于2 MPa;顶板上方的变形主要在30 m的范围内，顶板最大变形量为14 cm，顶板上方30 m处的变形量为8cm，老顶上方形成一个拱形结构;底板有轻微底鼓现象，突起量为7 cm。

图5 采空区后方50 m处的垂直应力云图

图7为工作面后方20 m处的垂直应力和变形曲线图，从图中可以看出，回风巷煤壁内的最大集中应力为10～11 MPa，运输巷煤壁内的最大集中应力为14～15 MPa，顶板上方30 m内的垂直应力小于2 MPa;顶板上方的变形主要在30 m的范围内，顶板最大变形量为12 cm，顶板上方30 m处的的变形量为6cm，老顶上方形成一个拱形结构;底板有轻微底鼓现象，突起量为6 cm。

6 采空区后方50 m处的变形等值线

7 采空区后方20 m处的垂直应力云图

根据工作面(推至100m)处的垂直应力和变形曲线(略)，此时回风巷煤壁内的最大集中应力为7～8 MPa，运输巷煤壁内的最大集中应力为9～10MPa，煤层上方的变形最大变形量为0.4cm。

根据工作面前方30 m的垂直应力和变形曲线(略)，此时回风巷煤壁内的最大集中应力为4 MPa左右，运输巷煤壁内的最大集中应力为5.5 MPa左右，接近其原岩应力;煤层上方的变形最大变形量为0.2 cm。

图8为煤壁内垂直应力与走向位置关系图，图9为顶板下沉量与走向位置关系图。

由图8-9知，工作面两巷煤壁内的垂直应力分布规律如下:

1)回风巷和运输巷煤壁内的垂直应力随着距离工作面的增大而增大，最大为15 MPa。

2)工作面前方煤体内的应力随着距离工作面的增加而减小，逐渐减小为4 MPa，接近于围岩的原岩应力。

图8 壁内垂直应力与走向位置关系图

图9 顶板下沉量与走向位置关系图

3)同一走向位置的回风巷煤壁内的垂直应力要小于运输巷煤壁内的垂直应力。

4)顶板下沉量与走向呈正比关系，在距工作面50 m处的顶板最大下沉量为14 cm。

5 工作面推至100 m时沿工作面倾向方向的垂直应力和变形分析

模拟工作面推至100 m时，在工作面各倾向位置处的剖面图，分别在距回风巷煤壁-2 m、0 m、12 m、60 m、100 m、120 m、122 m 进行研究，通过统计其变化来研究倾向各位置处的围岩应力变化规律和变形规律。

图10是回风巷煤壁内2 m处的垂直应力和变形曲线图，从图中可以看出，上侧煤壁内的最大集中应力为10.5 MPa，煤壁上方和工作面前方的垂直应力为6 MPa左右，煤层顶底板的变形量为2 cm左右。

图11是距回风巷煤壁12 m处的垂直应力和变形曲线图，从图中可以看出，采空区顶板上方10 m内的垂直应力为1 MPa，上方20 m内的垂直应力为2 MPa;工作面前方4 m内的垂直应力为10 MPa以上，前方10m内的垂直应力大于8MPa，顶板最大下沉量为7 cm，顶板上方20 m内的变形量大于3 cm，底板突起量为3 cm。

图10 距工作面回风巷-2 m的垂直应力图

图11 距回风巷12 m处垂直应力云图

根据距回风巷煤壁60 m处的垂直应力和变形曲线(略)，此时采空区顶板上方20m内的垂直应力为1 MPa;工作面前方4 m内的垂直应力为12 MPa以上，前方10m内的垂直应力大于9MPa，顶板最大下沉量为10 cm，顶板上方20 m内的变形量大于8 cm，底板突起量为5 cm。

根据距回风巷煤壁120 m处的垂直应力和变形曲线(略)，此时采空区顶板上方10m内的垂直应力大于10 MPa;工作面前方10 m内的垂直应力为9 MPa，顶板最大下沉量为4.5 cm，顶板上方20 m内的变形量大于3 cm，底板突起量为3 cm。

根据数值计算结果，沿倾向方向工作面煤壁和顶板内的垂直应力变化规律如图12-14所示:

图12 工作面煤壁内垂直应力沿倾向位置关系图

图13 工作面后方5 m处顶板垂直应力沿倾向位置关系图

图14 垂直变形沿倾向位置关系图

通过以上两图可知，工作面前方煤壁内的垂直应力呈拱形分布，中间大，两端小，顶板上方的垂直应力正好相反，中间小，两端大，运输巷煤壁内的最大垂直应力达15 MPa。

距回风巷煤帮12 m～100 m之间的顶板上方的下沉量均在6 cm以上，煤帮内的变形量较小。

6 结论

根据大倾角软顶底板煤层工作面开采FLAC数值模拟分析，可以得到以下结论:

1)其工作面的初次来压步距应该在20 m左右。

2)工作面推至100 m时，各处垂直应力规律如下所述:

(1)回风巷和运输巷煤壁内的垂直应力随着距工作面距离的增大而增大，最大为15 MPa。

(2)工作面前方煤体内的应力随着距工作面距离的增加而减小，逐渐减小为4 MPa，接近于围岩的原岩应力。

(3)同一走向位置的回风巷煤壁内的垂直应力要小于运输巷煤壁内的垂直应力。

(4)顶板下沉量随着距工作面距离的增大而增大，在距工作面50 m处的顶板最大下沉量为14 cm。

3)工作面推至100 m时，工作面煤壁内最大的垂直应力为14.47 MPa，主要集中在工作面的下部;煤壁内最大的主应力为7.91 MPa，支柱的最大支撑力为1.586×103kN，顶板最大下沉量为6.206 cm，底板有底鼓现象，最大突起量为2.87 cm。

［1］ 王国法.煤矿高效开采工作面成套装备技术

创新与发展［J］.煤炭科学技术，2010，38(1):63-68

［2］ 宁宇.大采高综采煤壁片帮冒顶机理与控制技术［J］.煤炭学报，2009，34(1):50-52

［3］ 王家臣.关于综放开采技术安全问题的几点认识［J］.中国安全生产科学技术，2005(1):31-36

［4］ 钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制的关键层理论［J］.煤炭学报，1996，21(3):225-230

［5］ 刘俊峰.塔山矿特厚煤层综放开采矿压显现规律初步研究［J］.煤矿开采，2008，13(5):80-82

The numerical simulation of the behavior law of mine pressure in Lean Coal Seam

SHI Jianjun1，SHI haoyu1，LIU Hongwei2

(1.Safety Engineering College，North China University of Science and Technology，Beijing-east Yanjiao 101601;2.Weixin Yunnan Electric Capital Ltd.，Zhaotong Yunnan 657900)

Based on the condition of Guan Yin Shan Mine.We built a numerical model for lean and soft roof and floor coal seam by using the software FLAC3D to numerically study the stressdistribution and roof and floor muster.According to the simulation results that the first weighting interval of the coal face is about 20m.We study the vertical deformation and stress distribution along the coal face toward and inclined when the working face impelling to 100m，.On the mining pressure control has a certain reference value.

big angle;numerical simulation;behavior law of mine pressure;stress and deformation

TD323

A

1672-7169(2012)03-0050-05

2012-02-11 。基金项目:中央高校基本科研业务费资助项目(AQ1202B)。

石建军(1975-)，男，黑龙江人，博士，华北科技学院安全工程学院副教授。