基于CFD方法的俯伪斜分段采煤研究

贾 岳

（西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）

基于CFD方法的俯伪斜分段采煤研究

贾 岳

（西山煤电股份有限公司西曲矿，山西古交030200）

为了对俯伪斜分段密集采煤法存在的问题进行研究，本文以福达煤矿为实际工程背景，运用CFD数值模拟软件对俯伪斜分段密集采煤法采动作用下，工作面顶底板运移规律进行了模拟研究，并研究了不同煤层倾角、推采距离以及巷道数目对工作面顶底板运移的影响效果，数值模拟结果表明：当煤层倾角在65°～70°时，煤层顶板法线方向最大应力受倾角变化的影响显著；当煤层倾角不在此范围内时，最大应力受倾角影响不明显；巷道的数目也对支撑压力有一定的影响，支架超前承压数值的大小随巷道数目的增多而增加，且支撑压力极限值出现的位置会越来越靠近工作面，增加了开采时的危险性；采用俯伪斜分段密集采煤法开采时，工作面上下两个端头附近是危险区域，在两端头附近区域非常可能发生顶板冒落。

俯伪斜；分段采煤；CFD方法；顶底板运移

俯伪斜分段密集采煤法是一种适应性强、回采率高的采煤方法［1］。在20世纪90年代后期，煤炭工业迅速发展，我国对大倾角采煤技术的发展需求迫切，在这种背景下，俯伪斜分段密集采煤法最早在芙蓉矿务局成功应用，后来在全国不同地区的许多煤矿进行了推广应用，并得到了煤炭部的认可，逐渐成为一种大倾角倾斜煤层的主流采煤方法［2-4］。在日后的生产实践应用中，此方法在技术上日趋成熟，尤其是在采场布置、支护、倾角选择上日趋合理。但由于我国煤炭资源赋存条件复杂多变［5］，不同矿区地质条件差异较大，加之起初此方法是应用于薄煤层的开采，因此，在实践应用中发现一些问题，比如：对此方法采落煤炭后的顶底板运移变形规律还不清楚，表面应力改变与显现的规律也不能完全掌握。

鉴于此，本文以福达矿为实际工程背景，采用CFD数值模拟研究方法对实际比较复杂的伪斜分段采煤工程问题进行模拟研究，以期得到俯伪斜分段密集采煤法还未掌握的规律，更好地指导生产。

1 工程概况

福达煤业井田位于潞安煤炭国家规划矿区东北部，15号煤层属侏罗纪煤层，井田内含煤地层为太原组和山西组，矿井的生产能力为120万t/a，采用斜井、立井联合的开拓方式，现在所采煤层15号煤层布置分段密集支柱支撑工作面，采用三巷道同采的方式进行采煤作业。15号煤层位于-100~200 m，平均厚度为1.6 m，煤层倾角65°，所选用伪斜倾角为21°、水平倾角21°。

2 CFD数值模拟

2.1 CFD模型的建立

在建立CFD数值计算模型时，本文将实际工程情况假设成有限元的弹塑性本构模型，在此情况下，模型计算符合摩尔-库伦准则。在设定模型的边界条件时，考虑到实际工程情况，也为了便于模型的计算，选取模型尺寸为（高×宽×长）250×120×100（m3）。模型侧面和顶底面均为固定约束。依据以上边界条件，建立了CFD模型，见图1。

图1 CFD模型图

2.2 CFD模型参数的选择

考虑到上覆岩层的重量，模型顶部输入载荷AH为10 MPa，作为模拟自重，其中A是上覆岩层的重度（N/m3）；H是煤层的采深（m）。模型所取参数见表1。

3 CFD模拟顶底板运动规律

由于地质和煤炭赋存条件的复杂性，在研究煤矿开采采动影响下，顶底板的运移规律和特征，一直是重点研究领域中的难点，数值模拟能较好的解决这个问题［6-8］。在模拟计算时推采距离分别为50 m、100 m，煤层倾角65°。

表1 有关岩层岩性参数表

反应顶底板运移规律的最重要的两个检测指标是：顶板、底板法线方向最大应力与极限位移。因此，对这两个指标量进行动态数值模拟，分别得到了顶底板法向最大应力和法向最大位移以及工作面推采距离的关系曲线。因为底板分析方法与顶板一致，所以，仅作出顶板有关图线，见图2，图3。

图2 顶板位移场图

图3 顶板法向最大应力与倾角、推采距离的关系曲线图

由图2，3可以得到如下规律：随着煤层倾角的不断增大，顶板法线方向极限位移、最大应力逐渐减小。每当煤层倾角增加10°左右时，顶板法线方向极限位移减小34%左右。

煤层顶板法向应力沿工作面两侧逐渐减小，最大应力位置在下端头附近。而顶板法线方向最大位移沿采空区对角线方向逐渐减小，且呈扇形分布，极限位置出现在上端头附近；煤层底板的极限位移分布规律与顶板一致，但是法线方向最大应力发生位置不同于顶板，其出现在上端头附近。

确定顶底板应力、位移的极限位置对实际生产具有重要意义，在实际开采中，可以在应力、位移极限位置提前采取相应措施加以防范，对生产安全具有重要作用。

由数值模拟结果可以得出，法线方向极限位移的分布规律：下部位移小于中部位移，上部位移最大，即为上部＞中部＞下部。当煤层倾角在65°～70°时，煤层顶板法线方向最大应力受倾角变化的影响显著；当煤层倾角不在此范围内时，最大应力受倾角影响不明显，底板变化规律跟顶板一致。

极限位移受推采距离变化的影响不够显著，并且随着煤层倾角的增大，受推采距离变化的影响作用逐渐减小。底板法线方向极限位移随开采巷道数的增加变化显著：巷道条数增加时，极限位移随之变大。增幅超过9%，而顶板极限位移同步增加，且增加幅度超过底板，致使底板形成拱形弯梁，底板容易破坏，易导致支架事故。

4 结论

本文以福达煤矿为实际工程背景，运用CFD有限元软件，对顶底板运移规律最重要的两个检测指标进行数值模拟研究，在采动引发地表沉陷的研究、俯伪斜采煤法参数优化和冲击地压危险区域的预测方面具有借鉴意义。经数值模拟计算，得到以下结论：

1）极限沉陷位移随着推采深度的增加逐渐向开采方向迁移，沉陷的影响范围也逐步扩大。在确定开采参数前，应先选择合理的开采方案，必须考虑到煤层倾角对工作面超前承压的数值和作用范围的影响。当煤层倾角在65°~70°时，煤层顶板法线方向最大应力受倾角变化的影响显著；当煤层倾角不在此范围内时，最大应力受倾角影响不明显，底板变化规律跟顶板一致。

2）在运用俯伪斜分段密集采煤法开采时，工作面上下两个端头附近是危险区域，在两端头附近区域非常可能发生顶板冒落。一旦发生顶板冒落事故，冒落岩石会从上下端头角连线方向开始下滑，进而对支柱造成冲击破坏，严重时发生连带二次灾害，使顶板事故扩大。在端头附近区域必须提前采取措施，加大支护力度。

3）对俯伪斜分段采煤法中超前支撑压力作用的模拟研究表明，巷道的数目也对支撑压力有一定的影响。可以认为，支架超前承压数值的大小随巷道数目的增多而增加，且支撑压力极限值出现的位置会越来越靠近工作面，增加了开采时的危险性。

4）对比工程实测数据，CFD数值模拟结果与实测数据基本吻合，说明该模拟可以用于俯伪斜分段采煤法，并在俯伪斜分段采煤采动影响下顶底板的运移规律预测和提高煤矿开采安全性方面具有实际意义。

［1］李龙瑞.俯伪斜走向分段密集采煤法在六枝煤矿的应用［J］.江西煤炭科技，2010（7）：21-22.

［2］唐巨鹏，潘一山，李忠华，等.俯伪斜分段密集采煤法三维有限元数值模拟研究［J］.岩土力学，2003（S3）：103-107.

［3］唐巨鹏，潘一山，李忠华，等.大台井俯伪斜分段密集采煤法数值模拟研究［J］.煤炭学报，2003（05）：496-499

［4］尹光志，代高飞，皮文丽.俯伪斜分段密集支柱采煤法缓和急倾斜煤层矿压显现不均匀现象的研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（09）: 1483-1488.

［5］曹光明，杨胜利.浅谈我国煤炭资源赋存特点和开采技术现状［C］.中国煤炭学会，2012.

［6］王岩森，范隆声，曹庆尧，等.大倾角煤层回采时顶底板活动规律分析及应用［J］.江苏煤炭，2004（02）:21-22.

［7］胡千庭，梁运培，刘见中.采空区瓦斯流动规律的CFD模拟［J］.煤炭学报，2007（07）:719-723.

［8］丁海昕.通用计算流体力学软件框架设计［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.

Research on Downhill False Inclination Subsection Mining Based on CFD Method

Jia Yue

In order to research on the problem of downhill false inclination subsection intensive coal mining method，Fuda coal mine is as the practical project background，CFD numerical simulation software is utilized to simulation study the roof and floor migration rules with the downhill false inclination subsection intensive coal mining method.The impact effect of different coal seam dip，mining distance and the number of roadway to working face roof and floor migration is studied，the numerical simulation results show that when coal seam dip is 65°~70°，the maximum stress of seam roof normal direction is influenced remarkably by angle change.When coal seam dip is beyond the scope，the maximum stress is influenced not obvious.The support pressure is also affected by the number of roadway，with the increase of roadway number，advanced pressure of support increases，and the position of support pressure limit value is more and more close to the working face，the dangerousness of mining is increasing.When using downhill false inclination subsection intensive coal mining method to mining，the area nearby the upper and lower ends of working face is dangerous，where is highly possible occurrence of roof caving.

Downhill false inclination；Segmented mining；CFD method；Migration of roof and floor

TD82

A

1672-0652（2014）11-0047-03

2014-10-13

贾岳（1972—），男，山西河曲人，1995年毕业于阳泉煤炭专科学校，工程师，主要从事煤矿开采管理方面的工作（E-mail）763132088@qq.com