某煤礦大傾角偽傾斜綜放面采場應力數值模擬

武浩軍

(山西汾西礦業集團賀西煤礦)

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某煤礦大傾角偽傾斜綜放面采場應力數值模擬

武浩軍

(山西汾西礦業集團賀西煤礦)

摘要頂板巖層強度大小決定著頂板在開采擾動下的變形破壞程度，從而影響到頂板應力釋放區的形成。為分析某煤礦在偽傾斜角度不變的情況下綜放面不同傾角推進方向的應力場及在煤層傾角不變、不同偽傾斜角度的情況下的應力場，采用FLAC3D軟件進行了數值模擬分析，結果表明：隨著煤層傾角的逐漸增大，受支承壓力影響的范圍逐漸減小，工作面的初次來壓步距逐漸變大，周期來壓步距相近。

關鍵詞大傾角煤層偽傾斜工作面采場應力數值模擬

1　工作面概況

某煤礦可采3#煤層上覆巖層厚度超過600m，多數在650m以下。煤層頂板組成較復雜，煤層傾角平均為42°，最大傾角為48°，最小傾角為20°，2317工作面傾斜角度為15°，采煤工藝為俯偽斜綜采放頂煤，開采2.3m，放煤4.2m，采放比為1∶1.83，工作面上覆巖層厚度達到680m。

2　模型構建

2.1計算模型

(1)計算模型構建及網格劃分。模型中以工作面推進方向為X軸，工作面方向為Y軸。考慮邊界效應、計算速度等因素，設定計算模型尺寸為700m×250m×1 300m。

(2)邊界條件模擬。①上部邊界條件，模型Z方向頂面為自由面，施加豎向均布荷載模擬上覆巖層的自重荷載，豎向均布載荷大小為18.32MPa；②下部邊界條件，模型下部為固定邊界，采用位移約束，模型下部邊界垂直位移與水平位移均為0。

2.2計算參數

本研究模擬過程選取莫爾-庫侖模型進行計算分析[1-5]，模擬計算采用的巖體力學參數見表1。

2.3計算方案

運用FLAC3D軟件，對該礦大傾角煤層在工作面推進方向傾角變化情況下覆巖的應力特征進行分析。根據試驗需要，本研究計算方案共分析4個計算工況：在工作面傾斜方向傾角為15°且

表1　主要巖層的計算參數

保持不變的前提下，工作面推進方向傾角分別為35°、48°；在煤層傾角為最大值48°且保持不變的前提下，工作面偽傾斜角度為15°、35°。

3　模擬分析

3.1工作面推進方向傾角不同時采場應力場特征

在工作面推進方向傾角變化時，隨著工作面的推進，工作面上覆巖層及底板的垂直壓力及影響范圍均發生了相應變化。工作面傾斜方向傾角為15°且不變、工作面推進方向傾角分別為35°、48°的條件下，工作面推進時步為10，40，120，200m時的工作面圍巖的垂直應力分布分別如圖1、圖2所示。

圖1　工作面傾角為15°、推進方向傾角為35°時 的采場應力云圖

圖2　工作面傾角為15°、推進方向傾角為48°時 采場應力云圖

由圖1、圖2可知：推進方向傾角為35°時，工作面煤壁前方最大集中應力的區域距工作面5～7m，工作面推進40m時，煤壁前方的最大應力集中系數為1.154，應力集中的顯著影響范圍為0～36m；傾角為48°時，工作面煤壁前方最大集中應力的區域距工作面3～5m，工作面推進40m煤壁前方的最大應力集中系數為1.175，應力集中的顯著影響范圍為0～29m。由此可知，推進方向的最大應力集中系數隨著傾角的增大而變小，煤壁前方垂直應力影響范圍也隨之而減小，同時工作面上覆巖層及底板巖體的垂直應力隨工作面的推進逐漸增大，當工作面推進至一定時步時出現拉應力區域，且工作面中上部頂板巖層低應力區域大，工作面下部頂板巖層低應力區域較小，呈現偏拱形輪廓，底板低應力區域相對頂板而言較弱，且延伸范圍不明顯。

3.2工作面傾斜方向傾角不同時采場應力場特征

為研究工作面傾斜方向傾角不同時，隨著工作面的推進，采場垂直應力的變化規律與分布特征，保持工作面推進方向傾角(48°)不變，建立工作面傾斜方向傾角分別為15°、35°時的數值計算模型，模擬分析工作面推進時步分別為10，40，120，200m時采場垂直應力的分布規律，結果分別如圖3、圖4所示。

圖3　工作面傾斜方向傾角為15°、推進方向傾角為48°時 采場應力云圖

圖4　工作面傾斜方向傾角為35°、推進方向傾角為48°時 采場應力云圖

由圖3、圖4可知：工作面傾角為15°時，工作面前方最大集中應力與工作面的距離為3～7m，工作面推進40m時，煤壁前方的最大應力集中系數為1.175，應力集中的顯著影響范圍平均為0～33m；工作面傾角為35°時，工作面前方最大集中應力與工作面的距離為3～5m，工作面推進40m時，煤壁前方的最大應力集中系數為1.189，應力集中的顯著影響范圍平均為0～29m。由此可知，工作面前方最大應力集中系數隨著煤層傾角的增大而增大，而工作面煤壁前方的應力顯著影響范圍變化相對不明顯。

4　結　論

(1)隨著煤層傾角的增大，工作面的初次來壓步距逐漸變大，周期來壓步距相近，工作面頂底板的移近量逐漸變小，工作面的來壓顯現較緩和。

(2)當煤層傾角增加時，工作面上覆巖體的應力場發生規律性變化，水平向應力由分布均勻逐漸在采空區上方增加，并向上覆巖體深部擴展，垂向應力在采空區正上方增加較快，應力等值線密集，而傾角較小時，垂直應力沿深度分布。

參考文獻

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(收稿日期2016-04-03)

武浩軍(1974—)，男，助理工程師，037000 山西省介休市裕華路95號。