煤体强度对煤壁稳定性影响的数值分析

张志利

（大同煤矿集团朔州煤电有限公司，山西朔州038300）

支承压力对开采煤层、顶底板、相邻煤层及其作用范围内的岩层会产生很大的影响。在发生冲击地压和煤层喷出的矿压显现中，支承压力就是其源动力[1]。通常支承压力会引起底鼓、片帮、冒顶等，妨碍开采计划的顺利实施，甚至对生产安全带来严重威胁。

煤体强度也是导致煤壁片帮的主要因素，控制煤壁的水平位移会降低片帮的风险。本文通过数值模拟方法针对煤体强度对煤壁的水平位移的影响进行了模拟计算与分析。

1 工作面煤壁力学模型的建立

在分析了晋华宫矿7#煤层采用大采高综采的可行性前期实验室试验以及相关分析的基础上，对煤壁的稳定性进行了数值模拟分析，并运用FLAC3D差分软件建模计算[2]。

FLAC3D主要是用在上覆岩层的移动受力计算的专业软件，对矿井地下开采所涉及的岩土力学问题只要参数输入正确，模拟结果是可信的，为此在煤矿开采领域得到了越来越广泛的应用。

根据地质资料和物理力学参数及钻孔柱状图建立模型。所建模型中顶板岩石层的厚度为50.25 m，7#煤层的厚度为6 m，底板岩层30.4 m。没有模拟的上部岩层采用等效载荷方式施加在模型顶部。铅直等效载荷主要考虑自重载荷为[3]：

其中：H为老顶上方未模拟顶板的厚度为280 m；ρ为煤岩层的视密度取平均,ρ=2.53 kg/cm3。

煤壁支护阻力p和采高M的关系如下式：

由上式可知采高越大，支护阻力就越大。如果支护力小，不能维持上覆岩层的应力重新分布的平衡，煤壁的支撑压力增大导致煤壁的水平位移增大。用有限差分软件建立的数值岩层结构图和等效应力云图，见图1a，b。

图1 力学模型

整个模型4个立面均固定法向位移。煤岩层物理力学参数按试验室测定数据给定，没有试验数据的岩层属性按岩性的平均取值给定[4-5]。

2 不同煤体强度条件下煤壁的位移情况

针对晋华宫矿的地质条件，考虑到断层等地质因素的影响下，部分区域煤层强度会发生变化，模拟了煤体强度变化条件下煤壁的位移情况。考虑在支护强度1.1 MPa的条件下，计算2 000时步，监测煤壁距底板分别为1，2，3，4，5 m位置处节点的水平位移，模拟选取煤体强度分别为f=0.4，0.5，0.6，0.8，1.0共5种情况进行考虑，计算得到的不同煤体强度下煤壁的水平位移曲线，见图2（a，b，c，d，e）。

图2 不同煤体强度下煤壁水平位移曲线图

由图2可看出，随着煤体强度的增加煤壁最大水平位移在逐渐变小，距离底板越远采高越大。在图形上表现为位移曲线变得扁平。但煤壁水平位移随时间变化规律基本没有因位置不同和煤体强度不同而有所变化。

3 结论

随着煤体强度的增大，煤壁最大水平位移减小。当煤体强度小于0.5时，煤体强度的增加对减小最大水平位移的作用极为明显，但由于整体煤体较软，在f=1.0以下时，煤体强度的增加对减小煤壁最大水平位移作用均较显著。

由上述分析可见，晋华宫矿7#煤层采用大采高综采，在一定的合理支护强度下，只要采煤速度较快，在6 m左右的采煤高度的情况下。在液压支架额定工作阻力为12 000 kN情况下，采煤机割煤推进速度保证每天进两个截深下，能保证煤壁不会片帮且来压期间动载支架运行平稳，工作面煤壁会保持相对稳定。验证了大采高工作面是可行的。

[1]贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[2]彭文斌.FLAC 3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]肖学.大采高综采工作面上覆岩层移动规律及围岩控制研究[J].山西煤炭，2012,32（11）:32-36.

[4]李鸿昌.矿山压力的相似模拟试验教程[M].徐州：中国矿业大学出版社，1988.

[5]朱世阳.厚煤层6.0 m采高液压支架稳定性研究[D].西安：西安科技大学，2011.