新集二矿巨厚砂岩顶板采煤面前方两侧煤体应力及位移分布数值模拟

吴德义， 李 康

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

随着煤炭不断向深部开采［1］，煤层开采后对周围巷道影响越来越明显，不同顶板厚度及岩性，影响程度不同［2－4］。新集二矿210108工作面顶板为巨厚砂岩，本文通过分析该工作面开采对采煤面位置两侧煤层顶板应力及位移场影响来分析采动对采煤面前方两侧煤层影响程度，可为工作面附近巷道布置提供依据。

1 工程概况

新集二矿1煤210108试采工作面标高－643．1～－591．4m，可采范围煤层赋存较为稳定，总体呈单一构造形态，1煤厚度在0．1～5．9m，平均煤厚3．4m，可采走向长度1242．0～1316．0m，倾斜长149．0m。

煤层顶板岩石名称、厚度及岩性、直接顶、老顶及底板等组成如图1，相应煤层顶板厚度及物理力学参数如表1。

图1 不同岩层分布示意

表1 岩石物理力学参数

2 数值计算模型

为分析新集二矿210108工作面1煤覆岩采动影响，根据该工作面工程实际，本文采用 FLAC［5－6］软 件 确 定 开 采 参 数 和 上 覆 岩 层 及底板特点，建立三维数值模型及网格划分如图2。

图2 数值计算模型及网格划分示意

3 数值计算结果

3．1 距煤层顶板5．0m截面垂直位移等值线图

距煤层顶板5．0m高度取截面，该截面垂直方向位移等值线如图3。

3．2 距煤层顶板5．0m截面主应力等值线图

距煤层顶板5．0m取截面，数值模拟得出的顶板主应力等值线如图4。

图3 距采空区顶板5．0m截面垂直位移等值线图

图4 距煤层顶板5．0m截面主应力等值线图

4 数值模拟结果分析

4．1 煤层顶板垂直位移随距采煤面侧面距离变化

根据距煤层顶板5．0m处水平截面位移等值线图3，在X＝300．0m直线上，取不同Y值大小煤层顶板垂直位移，可以得出采煤面两侧煤层顶板垂直位移随距采煤面侧面距离变化如图5。

由图5可以看出，采煤面两侧顶板垂直位移随距采煤面距离变化较好满足:

按式（1），对不同条件数值计算结果进行回归，可以得出u＝－6．20E－05A＝－0．037，K＝24．52

以采煤面两侧煤层顶板垂直位移衰减为采煤面边缘处顶板垂直位移的10%为采煤面对两侧煤体影响范围，可得巨厚砂岩顶板采动对采煤面两侧煤体影响范围为57．0m。

图5 不同条件煤层顶板垂直位移随距采煤面侧面距离变化

4．2 煤层顶板主应力随距采煤面侧面距离变化

根据距煤层顶板表面5．0m处水平截面主应力等值线图4，在X＝300．0m直线上，取不同Y值大小煤层顶板三个方向主应力值，可以得出:采煤面两侧煤层顶板主应力随距采煤面侧面距离变化如图6。

图6 煤层顶板主应力随距采煤面侧面距离变化

从图中可以看出:巨厚砂岩顶板条件下，采煤面两侧15．0m左右范围内第一主应力随距采煤面距离增加而显著上升，随后开始减小。采煤面前方15．0m－20．0m左右第二、第三主应力随距采煤面距离增加而显著上升，随后开始减小。与一般岩性顶板比较，主应力影响范围明显增大。

5 结 论

巨厚砂岩顶板采煤面前方两侧较大范围煤层顶板主应力显著变化，采动对采煤面前方两侧影响范围可达57．0m。

1 彭苏萍．深部煤炭资源赋存规律与开发地质评价研究现状及今后发展趋势［J］．煤炭学报，2008，17（2）:1－11．

2 汤建泉，何满潮，马庆云，等．开采覆岩运动和破坏规律的实验研究［J］．中国煤炭，1996（2）:14－17．

3 C．T．阿维尔辛．煤矿地下开采的岩层移动［M］．北京:煤炭工业出版社，1959．

4 张茂林．大阳煤矿综放回采巷道采动影响变形规律研究［J］．煤炭科学技术，2007，35（8）:35－38．

5 武崇福，刘东彦，方志．FLAC3D在采空区稳定性分析中的应用［J］．河南理工大学学报（自然科学版），2007，26（2）:136－140．

6 姜庆红，范慧鹤，李红英，等．FLAC3D中INTERFACE建模新方法在釆空区模拟中的应用［J］．计算机与现代化，2008，（10）:113－115．