FLAC3D数字模拟分析在急倾斜软底综采工作面开采安全防护设计中的运用

摘要：本文通过FLAC3D软件建模进行数字模拟分析软底下滑后对顶板、底板、煤层的影响，通过分析结果，提出了一套适合本工作面开采的安全防护体系，对提高生产效益、保障安全开采具有重要意义。

关键词：FLAC3D数字模拟分析；软底综采开采；安全防护体系

1 基本情况：

赵家坝104采区9#煤层工作面走向长960m，倾斜长132～200m，垂高平均100m，煤层厚0.87～1.48m，平均1.07m，硬度f=2～3、平均倾角45°，煤层伪顶为薄层炭质泥岩夹多层煤线，厚度约0.61m的伪顶与煤层一同采出，平均采高约1.68m，直接底为厚度0.98m的泥质粉砂岩，岩性为薄层状炭质泥岩与泥质粉砂岩互层夹煤线、煤屑，底板松软易破碎。

2 FLAC3D数字建模

根据1942工作面地质条件，建立三维模型，模型长X=100m，宽Y=100m，高Z=120m，Y轴为煤层走向；从上往下岩层分布为顶三角、老顶（泥质粉砂岩）、直接顶（粉砂岩）、伪顶（炭质泥岩）、煤层、直接底（泥质粉砂岩）、老底（粗砂岩）、底三角。

数值模拟模型的位移边界条件如下：①模型的左右、前后边界施加水平位移约束，即边界水平方向的速度矢量和位移均为零；②模型的下边界在水平和竖直方向均固定，边界水平和垂直方向的速度矢量和位移均为零；③模型上边界为自由边界，计算模型上边界载荷为上覆岩层自重，侧压系数取1.3。模型上边界埋深600m，模型上部施加15MPa的均布压应力。本次数值模型块体采用摩尔—库仑塑性模型。摩尔—库仑塑性模型需要的岩层物理力学参数为密度、体积模量K、剪切模量G、内摩擦角Φ、粘聚力C、剪胀角、抗拉强度σt，模型的力学参数如下表：

3 模拟数据分析

3.1软底下滑对顶底板的影响

3.1.1滑底对顶底板位移的影响

滑底前顶板下沉量在18.27mm，底板无下沉，顶底板位移量差为17.5～18mm，最大为18.27mm；滑底后，在滑底上方的顶板位移量有所增加，达到19.07mm，其他位置顶板位移分布在17.5～19mm，底板无下沉，顶底板位移量差17.5～19mm，最大为19.07mm。

3.1.2滑底对顶底板应力的影响

滑底前整个工作面应力最大值出现在机巷和风巷的围岩内侧，最大可达22.61MPa，工作面的应力最小值出现在上下端口的顶板中，最小值为10.34MPa；工作面滑底后，工作面的应力分布图形状未发生改变，应力值分区间为10.35～22.53MPa，对工作面上端顶底板应力未造成影响，对下端来说，应力值有相应减小，但变化不大可以忽略。

3.2滑底对煤壁的影响

3.2.1软底下滑对煤壁塑性区的影响

滑底前，煤壁的塑性区范围很小，主要分布在风巷和机巷围岩内侧1m范围；滑底后，煤壁的塑性区有了明显的增大，特别是在滑底处下方，煤壁基本都处于塑性状态，易发生片帮，对生产安全构成威胁。

3.2.2滑底對煤壁应力分布的影响

滑底前煤壁的应力分布范围在18～21MPa区间，滑底后，从滑底处开始下方的应力增大到26～28MPa，说明滑底对煤壁应力的影响较大，致使煤壁易出现片帮。

3.3分析结论

通过软底下滑对顶底板的影响分析，可知工作面软底下滑对顶底板位移有一定影响，对工作面应力分布产生一定影响，主要表现在下端口。

通过软底下滑对顶煤层的影响分析，可知工作面滑底后煤壁塑性区以及煤壁应力明显增加，即滑底后易产生煤壁片帮。

4 安全防护体系设计

4.1工作面飞矸安全防护

根据分析数据，为了解决因滑底后防止煤壁片帮造成飞矸伤害，在下端头第一架支架和第二架支架行人侧用废旧皮带或矿编制的挡矸油丝绳网制作两道挡矸帘，挡矸帘悬挂在支架顶梁上，第一步支架左侧下方单体上应悬挂“行人靠左”的警示标语，防止人员误入右侧（下行方向）溜煤侧，从第一步支架起至运输巷用5mm钢板或厚50mm的优质木板配合皮带将采空区与行人道全断面隔开。必须将皮带上下两侧同时绑在支柱上，确保皮带固定牢固。在回收密集支柱时，必须从机巷下帮开始先支后回，重支的密集支柱与需回收的密集支柱沿巷道走向成一条直线，防止老塘侧煤矸通过密集支柱窜入行人通道。行人通道两侧必须用5mm钢板或厚50mm的优质木板配合皮带从第一架支架架前挡板开始将机道与行人道或采空区与行人道全断面隔开，用于隔开的钢板或皮带皮带必须连接并固定在单体液压支柱上。

4.2“三机”下滑防护

根据数据，软底下滑后，尤其是底板位移和煤壁应力在下段较为集中，因此在0#到10#架安装防倒防滑液压缸，普架调整采用调架梁及调推与刮板机联合动作机理防止支架下滑。具体防护体系包括：①底座前端过桥上预留调架千斤顶的安装位置。②底座布置有后调架千斤顶。③顶梁上预留防倒千斤顶的安装位置。④顶梁和掩护梁为双向活动侧护板，使用时固定一侧。

5 结论

通过 FLAC3D数字建模，计算工作面推进过程中工作面的顶底板和煤壁应力、位移、塑性区的影响，将数字分析结果和现场相结合，使急倾斜煤层综合机械化开采过程中软底下滑后安全防护体系设计中更加科学，根据以上安全防护体系的设计，在现场中得到了实施，实施效果较好，有效的杜绝了飞矸伤人事故，杜绝了“三机”下滑现象，有效的促进了安全生产。

参考文献

[1]FLAC3D软件建模参数设定规范；

[2]已审批的赵家坝煤矿+115m水平地质说明书；

[3]胡绍祥，李守春.矿山地质学第二版.中国矿业大学出版社，2008

[4]许有圻.煤矿开采学.中国矿业出版社，1999

作者简介：冯军成（1987-），男，重庆南川人，大学本科学历，现为赵家坝煤矿生产技术科副科长。

（作者单位：川煤集团广旺公司赵家坝煤矿）