大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究＊

劉勝志 楊小彬

（1.神華集團(tuán)，北京市東城區(qū)，100011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083）

大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究＊

劉勝志1楊小彬2

（1.神華集團(tuán)，北京市東城區(qū)，100011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083）

為了研究特定煤層賦存條件下大采高工作面在推進(jìn)過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，采用數(shù)值模擬的方法模擬兩層煤之間有一層厚夾矸和堅(jiān)硬頂板的大采高工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，模擬過(guò)程中采用計(jì)算模型改變命令實(shí)現(xiàn)了工作面的連續(xù)推進(jìn)。通過(guò)數(shù)值模擬得到了工作面頂?shù)装逦灰萍皯?yīng)力分布規(guī)律。

大采高工作面 礦壓顯現(xiàn) 數(shù)值模擬 垮落步距

1 概述

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采的強(qiáng)度不斷增大，大采高綜合開(kāi)采方法是近年來(lái)采煤方法發(fā)展的一大趨勢(shì)。大采高工作面目前存在的主要問(wèn)題包括礦壓、機(jī)電和工作面采煤工藝問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者專(zhuān)家對(duì)大采高綜合開(kāi)采過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究工作。工作面礦壓顯現(xiàn)不僅與煤層賦存條件、水文地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性、工作面開(kāi)采工藝等因素有關(guān)還與工作面后方頂板垮落有關(guān)。本文采用數(shù)值方法對(duì)大采高工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究。研究對(duì)象是兩層煤中間存有一層夾矸、直接頂為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，其礦壓現(xiàn)象規(guī)律與其他全煤大采高工作面存在明顯的差異。

研究的煤層巖性如圖1所示，9＃煤層直接頂為深灰色石灰?guī)r（K2），厚2.24～11.50m，平均厚6.0m，與煤層接觸面凸凹不平，一般不易冒落，為塑性I級(jí)頂板；10＃煤層頂板即為9＃煤層底板，為灰色泥巖或砂質(zhì)頁(yè)巖，層厚0.35～5.65m，平均厚1.2m，層理、節(jié)理均發(fā)育，節(jié)理走向?yàn)?5～50°，傾角70°，頂板松軟，為中等穩(wěn)定頂板；10＃煤層底板為灰黑色頁(yè)巖或泥巖及砂質(zhì)泥巖，層理發(fā)育，厚1.2～3.5m，平均厚2.3m，其中，直接底為平均厚0.4m灰黑色層理發(fā)育的頁(yè)巖，老底為平均厚1.3m灰色中砂巖，含方解石脈，硬度系數(shù)f≈5，9＃煤層（毛四尺）位于太原組下段的頂部，直接位于K2灰?guī)r之下，層位穩(wěn)定，煤層厚度0.7～1.73m，平均厚度約為1.0m，硬度系數(shù)為f≈0.89，屬軟弱煤層；10＃煤層位于太原組下段，是主要可采煤層之一，位于9＃煤層之下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度2.02～4.91m，平均約為4.0m，含兩層穩(wěn)定夾矸，硬度系數(shù)為f≈0.7。

以往對(duì)于該種煤層賦存條件分別采用了分層開(kāi)采（9＃、10＃煤分別開(kāi)采）、只開(kāi)采10＃煤層和采10＃煤放9＃煤的方法。分層開(kāi)采由于9＃煤層薄，開(kāi)采效率低，同時(shí)造成10＃煤開(kāi)采時(shí)頂板破碎；只開(kāi)采10＃煤層將9＃煤直接冒落到采空區(qū)，造成大量采空區(qū)遺煤，給自燃發(fā)火創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)也造成大量的煤炭資源浪費(fèi)；采10＃煤層放9＃煤層的開(kāi)采方法，由于9＃、10＃煤層之間有1.2m左右的夾層，放煤量有限，同時(shí)放下的煤存在大量的矸石，給運(yùn)、選煤帶來(lái)困難。為了避免前3種方法的缺點(diǎn)，考慮采用9＃、10＃煤層一次采全高的方法，但也存在采高較高（6.4m）、兩煤層之間含有1.2m夾矸且直接頂平均厚度約5m、硬度系數(shù)大于12的石灰?guī)r等不利條件，同時(shí)存在工作面上下回采巷道過(guò)渡及采煤機(jī)割煤進(jìn)刀等問(wèn)題，特別是開(kāi)采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，都需要進(jìn)行科學(xué)的研究。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)于該種大采高工作面，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)?zāi)M都存在一定的困難，同時(shí)也很難直觀得出工作面推進(jìn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬，模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中的壓力及位移分布，為工作面生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

根據(jù)圖1所示的煤巖賦存條件，采用商用有限元軟件建立了工作面推進(jìn)二維平面應(yīng)力模型。考慮工作面的推進(jìn)，在數(shù)值模型中采用了多個(gè)分析步，每一分析步對(duì)應(yīng)一次工作面的實(shí)際推進(jìn)；同時(shí)為了簡(jiǎn)化模型，將工作面分為初次跨落模型和周期跨落模型分別進(jìn)行模擬。其計(jì)算模型如圖2所示，在圖2中模型底部限制其位移，模型左右采用對(duì)稱邊界條件，模型上部考慮上覆巖層重量賦予均布?jí)毫Γ瑫r(shí)模型中輸入煤、巖的密度及對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。模擬過(guò)程中均采用靜態(tài)分析，在分析過(guò)程定義開(kāi)采后頂?shù)装褰佑|邊界條件，隨著采動(dòng)的推進(jìn)，不斷變化頂?shù)装褰佑|邊界。同時(shí)，在上一分析步進(jìn)入下一分析步的進(jìn)程中需要修改模型，在形成的計(jì)算文件中人為添加模型改變命令行。模擬計(jì)算中，由于存在大變形（頂板跨落）和頂?shù)装褰佑|問(wèn)題，在隱式迭代中需要判斷模型計(jì)算是否收斂。在計(jì)算中采用摩爾－庫(kù)侖（Mohr Coulumb）準(zhǔn)則，需要輸入巖石材料的內(nèi)聚力、摩擦角、剪脹角等力學(xué)參數(shù)。

圖2 計(jì)算模型示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模擬分別得到開(kāi)采過(guò)程中的應(yīng)力分布云紋圖，并簡(jiǎn)單處理得到頂?shù)装宓膽?yīng)力分布和位移分布曲線。

隨著工作面的推進(jìn)，在頂板初次來(lái)壓后，裂隙帶巖層形成的結(jié)構(gòu)發(fā)生“平衡—失穩(wěn)—再平衡”的周期變化，從而頂板發(fā)生穩(wěn)定、跨落、在穩(wěn)定的周期現(xiàn)象。

圖3為模型模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中米塞斯應(yīng)力分布結(jié)果圖，分別給出了工作面推進(jìn)10m、20m和25m時(shí)的應(yīng)力分布圖。從圖3中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)10m時(shí)，頂板上部出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，并開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，在推進(jìn)25m時(shí)，頂板上部和頂板下部（工作面頂角）處的裂紋開(kāi)始貫通，發(fā)生跨落。此時(shí)頂板的破壞形式為拉應(yīng)力使頂板的上部出現(xiàn)裂紋，而最后的失穩(wěn)是剪應(yīng)力作用的結(jié)果。

圖3 工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力分布云圖

沿著9＃煤的頂板和10＃煤的底板分布選取網(wǎng)格點(diǎn)，繪制在工作面推進(jìn)25m時(shí)的應(yīng)力和位移分布，圖4為模型頂板應(yīng)力和位移隨著工作面推進(jìn)的分布曲線圖，圖5為模型底板應(yīng)力和位移隨著工作面推進(jìn)的分布曲線圖。

從圖4和圖5中可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，在工作面的附近頂?shù)装宕嬖趬毫担谇醒酆蠖嗣褐岸舜嬖趬毫担煽諈^(qū)的壓力分布存在一個(gè)拋物線分布，而在工作面前方存在一個(gè)壓力升高區(qū)；頂?shù)装逦灰谱兓厔?shì)相反，由于頂板懸空，靠近采空區(qū)中部頂板位移下沉量大；而底板由于上部壓力釋放，發(fā)生彈性恢復(fù)，略有底臌現(xiàn)象。

目前大采高工作面普遍存在片幫明顯的現(xiàn)象（相對(duì)于采高較低的工作面而言），究其原因，由于采高增大，液壓支架支撐相對(duì)壓縮量增大，采空區(qū)頂板冒落碎脹不能象較低采高那樣充實(shí)采空區(qū)而造成頂板出現(xiàn)臺(tái)階垮落，從而造成頂板相對(duì)懸空長(zhǎng)度增加并難以形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，最終造成工作面前方壓力增高區(qū)向支架方向移動(dòng)導(dǎo)致工作面片幫嚴(yán)重。對(duì)于本研究中的大采高，由于9＃、10＃煤之間的夾層存在，在一定程度上緩解了片幫的嚴(yán)重性，但對(duì)于10＃煤接近夾層一定距離內(nèi)的煤壁會(huì)存在較明顯的片幫現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

利用數(shù)值計(jì)算方法模擬了兩層煤間有一厚夾矸和堅(jiān)硬頂板組成的大采高工作面壓力及位移分布規(guī)律，利用模型改變命令實(shí)現(xiàn)了工作面連續(xù)推進(jìn)，并得到了該大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖。通過(guò)選取煤層頂?shù)装寰W(wǎng)格點(diǎn)繪制了頂?shù)装逶诠ぷ髅嫱七M(jìn)25m時(shí)的應(yīng)力位移曲線。數(shù)值模擬結(jié)果可為該大采高工作面實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的礦壓控制提供理論參考。

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Numerical simulation of strata－pressure behaviors in fully－mechanized working face with large mining height

Liu Shengzhi1，Yang Xiaobin2

（1.Shenhua Group Corporation Ltd.，Dongcheng，Beijing 100011，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to study the strata－pressure behaviors under the special occurrence of coal seams during the advancing of fully－mechanized working face with large mining height，the stratapressure behaviors were simulated for the working face composed of two coal seams with intercalated thick gangue and hard roof.During the numerical simulation，the continuous advance of working face was realized by the change of program commands.The laws of displacement of coal seam roof and floor and the stress distribution were also obtained.

working face with large mining height，strata－pressure behavior，numerical simulation，caving interval

TD322

B

國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（2010DFA24580）

劉勝志（1975－），男，河北保定人，工程師，碩士學(xué)歷。主要從事煤礦建設(shè)和生產(chǎn)工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）