基于数值模拟的小纪汗煤矿11215工作面矿压规律研究

魏璐晖

摘 要：小纪汗煤矿11215大采高工作面回采过程中，顶板会先后存在两种边界支撑条件，即三边固支、一边简支的前段和两边简支、两边固支的后段。本研究采用FLAC3D数值模拟软件，分别对前、后两段工作面覆岩运动破断过程及围岩应力变化进行模拟，通过运算得到不同边界支撑条件下工作面基本顶的周期破断情况和来压步距。通过对前、后两段工作面矿压规律的对比得知，后段工作面回采时，工作面中下部压力水平增高，来压更为剧烈，建议提高该区域液压支架的支撑强度。

关键词：边界支撑条件;数值模拟;工作面;矿压规律

中图分类号：TD323文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0080-03

Abstract： During the stoping process of the 11215 large mining height working face in Xiaojihan Coal Mine， there will be two boundary support conditions successively on the roof， namely three-side fixed support， one-side simply supported front section， and two-side simple support， two-side fixed-supported rear section. In this study， FLAC3D numerical simulation software was used to simulate the breaking process of overlying rock movement and the stress change of surrounding rock in the front and back sections of the working face， through calculation， the periodic breakage of the basic top of the working face and the stepping distance under different boundary support conditions were obtained. Through the comparison of the rock pressure law of the front and back two working faces， it is known that when the back working face is stopped， the pressure level in the middle and lower parts of the working face increases， and the pressure is more severe， it is recommended to increase the support strength of the hydraulic support in this area.

Keywords： boundary support conditions;numerical simulation;working face;rock pressure law

我國拥有非常丰富的煤炭资源，现已探明的煤炭资源储量达到1.42万亿t，在已探明的储量中，厚煤层资源占比达到44%左右，在我国每年原煤产量中占45%左右。国内大型煤炭骨干生产企业的主力生产矿井多数都大力发展厚煤层开采技术[1-3]，其中，大采高采煤方法已成为我国各大矿区尤其是陕北侏罗纪煤田各矿区的重要采煤方法。在采用大采高采煤方法的过程中，人们经常会遇到顶板边界条件不同引起的不同程度和形式的矿压显现规律，研究和讨论这种变化规律不仅对矿井的工作面顶板管理和安全高效回采具有指导意义，而且可为类似地质条件矿井的开采提供参考依据。

1 研究对象

1.1 选取研究对象

本研究选取小纪汗煤矿11215工作面为研究对象，由于其一侧为11213工作面采空区、一侧为规划的11217实体煤工作面，各工作面间区段煤柱宽度为20 m，11215大采高工作面回采过程中，顶板会先后存在两种边界支撑条件，一是三边固支、一边简支的前段，即图1中I区（单工作面段），二是两边简支、两边固支的后段，即图1中Ⅱ区（单侧临空段）。工作面在回采过程中会经历不同边界条件，符合研究的需要。

1.2 工作面概况

11215工作面位于2煤层11盘区，工作面巷沿煤层走向布置，工作面沿煤层倾向布置，11215工作面布置了一条带式输送机巷、一条辅运巷、一条回风巷。工作面开采2号煤层，煤层平均倾角为2°，煤层均厚为4.56 m，该工作面直接顶为均厚1.86 m的砂质泥岩，基本顶为均厚12.4 m的长石砂岩，直接底为均厚1.52 m的砂质泥岩，基本底为均厚8.2 m的中砂岩。

2 建立模型与确定模拟方案

2.1 建立模型

以小纪汗煤矿2号煤层11215工作面实际开采情况及工程地质条件为背景，建立FLAC3D数值计算模型，2号煤层均厚取4.56 m，2号煤层为近水平煤层，建模时以近水平煤层建模。模型中11215工作面长度取280 m，11213工作面采空区长度取100 m，两工作面间的区段煤柱宽度取20 m，考虑到边界效应的影响，在两工作面两侧分别留40 m长的实体煤，确定模型长度为400 m，工作面推进长度为200 m，模型高度取99 m，因此最终确定的数值计算模型尺寸为：长×宽×高=400 m×280 m×99 m，模型共有66 304个单元、693 781个节点。

2.2 确定模拟方案

11215大采高工作面一侧为11213工作面采空区一部分，另一侧为11217工作面（规划未开采），模拟11215工作面向前推进过程，其可分为两个阶段。

11215工作面从开切眼开始向前推进100 m，此时11215工作面两侧均为实体煤;11215工作面由100 m位置推进至200 m，此时11215工作面一侧为11213工作面采空区，一侧为实体煤，即处于一侧实体一侧采空情况。通过模拟11215工作面向前回采，对工作面覆岩塑性区发育变化进行分析。数值模拟模型计算过程为：建立模型→初始应力平衡→工作面循环开挖→输出计算结果。数值模拟方案中，工作面位置关系如图2所示。

3 模拟工作面推进过程中覆岩运动变形规律

3.1 正常推进过程（I区）中覆岩运动变形规律

在两侧都为实体煤的情况下，通过计算机数值模拟得到11215工作面推进过程中上覆岩层的应力变化情况，如图3所示，上覆岩层的破断变形情况如图4所示，依次为40、55、72 m处。

分析上述模拟结果可得，工作面回采会在其前方及两侧产生应力集中，11215工作面超前支承压力影响区为工作面前方10～55 m范围，应力峰值处于其前方15～25 m范围，其垂直应力可达到29.93 MPa，动压影响系数为1.8左右;自工作面煤壁开始，其后方20～50 m范围为覆岩离层区，再往后50～100 m为采空区压实区;工作面两側应力侧向支承压力影响区域为5～10 m，应力峰值处于6～8 m，其峰值应力可达到26.9 MPa，动压影响系数为1.7左右。

随着工作面向前推进到40 m，基本顶达到极限垮落步距，产生离层破断，发生初次来压，故初次来压步距为40 m。工作面上覆岩层形成垮落、裂隙、弯曲下沉三带，沿工作面倾向形成一个“卸压拱”，该处为应力降低区，岩层内部垂直应力基本处于0～5 MPa，垮落的顶板岩层作用到液压支架上，液压支架的所承受的垂直应力为35 MPa。

随着工作面不断向前推进，工作面顶板发生周期性的破断变形，即基本顶发生周期来压，周期破断来压步距为14～17 m，平均为15 m左右。周期来压期间，支架所承受的垂直应力处于32～38 MPa。

3.2 11215工作面通过11213工作面采空区时（II区）覆岩运动变形规律

在通过11213工作面采空区时，通过计算机数值模拟计算得到11215工作面推进过程中上覆岩层的应力变化情况，如图5所示。上覆岩层的破断变形情况如图6所示，依次为110、122、136 m处。

11215工作面通过11213工作面采空区时，沿工作面倾向看，工作面上覆岩层垮落形成“三带”，其上覆岩层内部垂直应力仍呈现为一个“卸压拱”，而11213工作面采空区上覆岩层也有“卸压拱”存在，形成双拱结构，该处为应力降低区，岩层内部垂直应力基本处于0～5 MPa。11213工作面回采过后，会沿着煤柱边缘产生采空侧悬顶结构，随后对工作面进行循环开挖推进，当工作面向前推进110、122、136 m时，如图7所示，顶板发生周期性的破断变形，即基本顶的周期破断来压步距为10～14 m，平均为12 m左右。工作面周期来压期间，支架所承受的垂直应力处于35～40 MPa。由此可见，工作面正常推进和单侧采空推进过程中，支架所承受的垂直应力变化不是很大，但是靠近采空区一侧的工作面端头支架将受采空侧悬顶结构的影响，该区域的支架应力会增大。

4 结论

通过FLAC3D数值计算结果，在正常推进情况下，11215基本顶的初次来压步距为40 m，基本顶的周期破断来压步距为14～17 m，平均为15 m左右;后段回采动压影响下，基本顶的周期破断来压步距为10～14 m，平均为12 m左右。在通过11213工作面采空区情况下，11215工作面回采会在其前方及两侧产生应力集中，由于其一侧为11213工作面采空区，11215工作面后段回采动压和11213采空区前段回采侧向支承压力会形成应力叠加。在实际回采过程中，为了加强11215工作面中下部顶板管理，建议提高该区域液压支架的支撑强度。

参考文献：

[1]钱鸣高.为实现由煤炭大国向煤炭强国的转变而努力[J].中国煤炭，2017（7）：5-9.

[2]钱平凡.中国煤炭产业可借鉴美国经验[N].中国经济时报，2003-11-06.

[3]中国科学院可持续发展战略研究组.2004能源中长期发展规划纲要[M].北京：煤炭工业出版社，2004.