某礦1301綜采工作面應力數值模擬分析

柴俊虎 馬 偉

(1.霍州煤電集團豐峪煤業有限責任公司；2.尤洛卡精準信息工程股份有限公司)

某煤礦井田內斷裂構造及陷落柱發育，井田構造復雜程度為中等。1301綜采工作面是井田11#煤層13采區的第一個工作面，是主要的接替工作面。經探查，該工作面多斷層，地質條件復雜，此外，工作面上部(垂直距離約9.9 m)包含有10#煤層的殘留煤柱，工作面回采時有可能會受到上部殘留煤柱(寬20 m)的影響，因而，有必要在該工作面開采前對其應力特點進行分析研究，一方面，可以驗證上覆殘留煤柱是否對工作面的回采造成影響，以及殘留煤柱區域的應力特點；另一方面，可以了解斷層區域的應力特點，在工作面回采以及后期巷道維護時提供可靠的依據；再者，研究超前支承應力有利于工作面回采時超前支護。分析結果對工作面的安全高效回采具有重要的指導作用。

1 工作面概況

1301工作面地面標高為+630～+730 m，井下標高為+442～+512 m。煤層整體為緩傾斜單斜構造。工作面運輸順槽走向長644 m，回風順槽走向長678 m，傾斜長132 m。煤層傾角為1°～9°，平均傾角為5°，煤層厚1.57～1.77 m，平均厚1.68 m,煤種牌號為肥煤。工作面直接頂為泥巖或砂質泥巖，平均厚2.90 m，基本頂為粉砂巖，平均厚3.35 m，直接底為石英砂巖，平均厚2.30 m，基本底為石灰巖，平均厚2.28 m。煤層頂底板特征見表1。

柴俊虎(1972—)，男，工程師，031400 山西省霍州市。

表1 煤層頂底板特征

工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化采煤法采煤，一次采全高，沿頂底板推進，全部垮落法管理頂板。工作面計劃選用MG150/345-WDK型雙滾筒采煤機落煤、裝煤，采用SGZ-630/400型刮板輸送機(雙機)、SZB-730/75C橋式轉載機、SSJ-1000型膠帶輸送機聯合運煤，ZY3300-11/26型雙掩護式液壓支架支護頂板。

地表對應位置為尚家溝村南西側的山谷與山頂，為農用耕地與山坡荒地，其余方位無其它建筑物。由于采高較小，裂隙帶影響范圍小，根據調查分析，工作面回采期間裂隙帶不會溝通地表，僅會產生局部微小裂隙，對地表基本無影響。工作面東南側為三采區正在推進的304綜采工作面，西側為一條6 m的正斷層，西南側為原三采區皮帶巷與原三采區回風巷，東北側為十三采區專用回風巷、皮帶巷與輔助運輸巷，工作面上部為三采區10#煤層306、308采空區。1301工作面位置情況見圖1。

圖1 1301工作面位置示意

2 模型的建立

依據經驗，工作面開采后，對上覆巖層垂直方向的影響距離約6～8倍采高[1-2]，因此，所建模型尺寸為183 m×42 m(寬×高)，巖體的垂直應力σzz=13 MPa,水平應力σxx=σyy=0.51σzz。模型的邊界約束條件為左右邊界只約束x方向的位移，前后邊界只約束y方向的位移，即對模型左右、前后邊界進行單約束；下部邊界為全約束；上部邊界不約束，FLAC3D將單元之間的不平衡力重新加到各節點上，為自由邊界。采用六面體單元，共劃分62 050個單元。計算時，模型的本構模型選用莫爾-庫侖塑性模型，巷道圍巖物理力學參數見表2。

表2 巷道圍巖物理力學參數

由于FLAC3D前處理能力較弱[3-5]，因而本模型在建立過程中，先使用ANSYS軟件建立模型，然后再利用ANSYS-FLAC3D轉化程序，將模型導入FLAC3D中。數值模型見圖2。由于FLAC3D模擬軟件在求解微分方程時采用顯示差分法，因而對工作面采空區進行了相似模擬處理[6]。另外，為更加直觀地展現數值模擬情況，將FLAC3D的數值模擬結果導入到Tecplot軟件，生成相應的數值等高線圖。

圖2 FLAC3D計算模型

3 數值模擬結果及分析

3.1 上覆殘留煤柱區域應力情況分析

圖3為1301工作面未開采時上覆殘留煤柱區域初始應力分布。由圖3(a)可知，上覆殘留煤柱處產生了較大的應力集中，最大值為22 MPa，殘留煤柱對1301工作面影響長度約40 m，其中，最大值出現在殘留煤柱左側正下方的1301工作面區域，應力達到17 MPa，略大于煤柱右側下方的工作面區域(15 MPa)，該種情況有可能受煤層傾角的影響，此外，受上覆采空區影響，1301工作面兩側出現大小不同的卸壓區域。由圖3(b)可知，工作面區域最大水平應力為8 MPa，因而，在該區域進行工作面回采時，應加大支護力度，預防垂直應力所造成的工作面事故。

3.2 斷層區域應力情況分析

圖4為1301工作面未開采時斷層區域初始應力分布。由圖4(a)可知，受上覆采空區影響，斷層區域的1301工作面垂直方向應力有一定的卸壓效果，垂直應力約12 MPa，略低于工作面平均值(約13 MPa)；另外，在采空區右側的斷層處出現了垂直應力集中的現象，說明該區域斷層有活化風險，應力若持續增加，該處斷層有可能突然下滑，導致沖擊；如果1301工作面進行回采，在工作面靠近斷層側，也會造成應力集中，此時為預防斷層突然下滑，應加大該區域巷道的支護強度，提高工作面支架的支撐強度。由圖4(b)可知，工作面區域水平應力為6～8 MPa，低于工作面垂直方向的應力，因而，該區域也是主要受垂直方向應力的影響；另外，在采空區右側的斷層處同樣出現了水平應力集中的現象，因而，為預防斷層突然下滑，在1301工作面回采期間，應加大該區域巷道的支護強度，提高工作面支架的支撐強度。

圖3 1301工作面未開采時上覆殘留煤柱區域初始應力分布(單位：MPa)

圖4 1301工作面未開采時斷層區域初始應力分布(單位:MPa)

3.3 工作面超前支承應力情況分析

圖5為殘留煤柱下1301綜采工作面超前支承應力情況。可知，超前支承壓力影響區域約25 m，其中，最大超前支承壓力在工作面超前距離約7 m，最大值為20 MPa，工作面頂板壓力約15 MPa，從模擬結果以及動載系數的統計規律(最大不超過2)看，工作面回采所采用的ZY3300-11/26型雙掩護式液壓支架(最大支護強度42 MPa)完全可以滿足工作面的支護要求。

4 結 論

(1)考慮到FLAC3D在求解微分方程時采用顯示差分法，建模時對工作面采空區進行了相似模擬處理，數值分析的結果更符合現場實際情況，為1301綜采工作面的安全回采提供更為可靠的應力依據。

(2)工作面開采前煤柱下方區域主要受垂直應力，最大值出現在殘留煤柱左側正下方1301工作面區域，應力達到17 MPa，在該區域進行工作面回采時，應加大支護力度，預防垂直應力所造成的工作面事故。

圖5 殘留煤柱下1301綜采工作面

(3)工作面開采前斷層附近的工作面區域主要受垂直應力，最大值約12 MPa；1301綜采工作面回采時，在工作面右側靠近斷層處預計會產生垂直應力與水平應力雙集中，為預防斷層突然下滑，應加大該區域巷道的支護強度，提高工作面支架的支撐強度。

(4)工作面回采后，1301綜采工作面超前支承壓力影響范圍約25 m，最大超前支承壓力在工作面超前距離約7 m；工作面頂板壓力約15 MPa；ZY3300-11/26型雙掩護式液壓支架可以滿足工作面的支護要求。

(5)利用FLAC3D數值分析軟件，對1301綜采工作面在回采時面臨的殘留煤柱、斷層等應力情況進行模擬，及時掌握了工作面的應力特點，給出了相對應的預防及處理措施，實現工作面的合理控制以及巷道的有效支護。

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