某煤矿大倾角伪倾斜综放面采场应力数值模拟

武浩军

(山西汾西矿业集团贺西煤矿)



某煤矿大倾角伪倾斜综放面采场应力数值模拟

武浩军

(山西汾西矿业集团贺西煤矿)

摘要顶板岩层强度大小决定着顶板在开采扰动下的变形破坏程度，从而影响到顶板应力释放区的形成。为分析某煤矿在伪倾斜角度不变的情况下综放面不同倾角推进方向的应力场及在煤层倾角不变、不同伪倾斜角度的情况下的应力场，采用FLAC3D软件进行了数值模拟分析，结果表明：随着煤层倾角的逐渐增大，受支承压力影响的范围逐渐减小，工作面的初次来压步距逐渐变大，周期来压步距相近。

关键词大倾角煤层伪倾斜工作面采场应力数值模拟

1　工作面概况

某煤矿可采3#煤层上覆岩层厚度超过600m，多数在650m以下。煤层顶板组成较复杂，煤层倾角平均为42°，最大倾角为48°，最小倾角为20°，2317工作面倾斜角度为15°，采煤工艺为俯伪斜综采放顶煤，开采2.3m，放煤4.2m，采放比为1∶1.83，工作面上覆岩层厚度达到680m。

2　模型构建

2.1计算模型

(1)计算模型构建及网格划分。模型中以工作面推进方向为X轴，工作面方向为Y轴。考虑边界效应、计算速度等因素，设定计算模型尺寸为700m×250m×1 300m。

(2)边界条件模拟。①上部边界条件，模型Z方向顶面为自由面，施加竖向均布荷载模拟上覆岩层的自重荷载，竖向均布载荷大小为18.32MPa；②下部边界条件，模型下部为固定边界，采用位移约束，模型下部边界垂直位移与水平位移均为0。

2.2计算参数

本研究模拟过程选取莫尔-库仑模型进行计算分析[1-5]，模拟计算采用的岩体力学参数见表1。

2.3计算方案

运用FLAC3D软件，对该矿大倾角煤层在工作面推进方向倾角变化情况下覆岩的应力特征进行分析。根据试验需要，本研究计算方案共分析4个计算工况：在工作面倾斜方向倾角为15°且

表1　主要岩层的计算参数

保持不变的前提下，工作面推进方向倾角分别为35°、48°；在煤层倾角为最大值48°且保持不变的前提下，工作面伪倾斜角度为15°、35°。

3　模拟分析

3.1工作面推进方向倾角不同时采场应力场特征

在工作面推进方向倾角变化时，随着工作面的推进，工作面上覆岩层及底板的垂直压力及影响范围均发生了相应变化。工作面倾斜方向倾角为15°且不变、工作面推进方向倾角分别为35°、48°的条件下，工作面推进时步为10，40，120，200m时的工作面围岩的垂直应力分布分别如图1、图2所示。

图1　工作面倾角为15°、推进方向倾角为35°时 的采场应力云图

图2　工作面倾角为15°、推进方向倾角为48°时 采场应力云图

由图1、图2可知：推进方向倾角为35°时，工作面煤壁前方最大集中应力的区域距工作面5～7m，工作面推进40m时，煤壁前方的最大应力集中系数为1.154，应力集中的显著影响范围为0～36m；倾角为48°时，工作面煤壁前方最大集中应力的区域距工作面3～5m，工作面推进40m煤壁前方的最大应力集中系数为1.175，应力集中的显著影响范围为0～29m。由此可知，推进方向的最大应力集中系数随着倾角的增大而变小，煤壁前方垂直应力影响范围也随之而减小，同时工作面上覆岩层及底板岩体的垂直应力随工作面的推进逐渐增大，当工作面推进至一定时步时出现拉应力区域，且工作面中上部顶板岩层低应力区域大，工作面下部顶板岩层低应力区域较小，呈现偏拱形轮廓，底板低应力区域相对顶板而言较弱，且延伸范围不明显。

3.2工作面倾斜方向倾角不同时采场应力场特征

为研究工作面倾斜方向倾角不同时，随着工作面的推进，采场垂直应力的变化规律与分布特征，保持工作面推进方向倾角(48°)不变，建立工作面倾斜方向倾角分别为15°、35°时的数值计算模型，模拟分析工作面推进时步分别为10，40，120，200m时采场垂直应力的分布规律，结果分别如图3、图4所示。

图3　工作面倾斜方向倾角为15°、推进方向倾角为48°时 采场应力云图

图4　工作面倾斜方向倾角为35°、推进方向倾角为48°时 采场应力云图

由图3、图4可知：工作面倾角为15°时，工作面前方最大集中应力与工作面的距离为3～7m，工作面推进40m时，煤壁前方的最大应力集中系数为1.175，应力集中的显著影响范围平均为0～33m；工作面倾角为35°时，工作面前方最大集中应力与工作面的距离为3～5m，工作面推进40m时，煤壁前方的最大应力集中系数为1.189，应力集中的显著影响范围平均为0～29m。由此可知，工作面前方最大应力集中系数随着煤层倾角的增大而增大，而工作面煤壁前方的应力显著影响范围变化相对不明显。

4　结　论

(1)随着煤层倾角的增大，工作面的初次来压步距逐渐变大，周期来压步距相近，工作面顶底板的移近量逐渐变小，工作面的来压显现较缓和。

(2)当煤层倾角增加时，工作面上覆岩体的应力场发生规律性变化，水平向应力由分布均匀逐渐在采空区上方增加，并向上覆岩体深部扩展，垂向应力在采空区正上方增加较快，应力等值线密集，而倾角较小时，垂直应力沿深度分布。

参考文献

[1]崔有宝，陈全秋，郑金平.FLAC3D在大采高初采工作面顶板力学模拟中的应用[J].科技信息，2013(21)：420-421.

[2]马伟伟，程宏，杨玉学.基于FLAC3D数值模拟采场顶板变形和应力分布[J].现代矿业，2013(9)：13-15.

[3]王松阳.薄层复合顶板离层冒落机理及控制技术研究[D].西安：西安科技大学，2012.

[4]韩新明.大倾角综采工作面顶板管理技术优化与应用[J].山西建筑，2010，36(8)：161-162.

[5]张小军.大倾角仰斜开采采场顶板控制技术的研究[D].淮南：安徽理工大学，2005.

(收稿日期2016-04-03)

武浩军(1974—)，男，助理工程师，037000 山西省介休市裕华路95号。