FLAC3D數字模擬分析在急傾斜軟底綜采工作面開采安全防護設計中的運用

摘要：本文通過FLAC3D軟件建模進行數字模擬分析軟底下滑后對頂板、底板、煤層的影響，通過分析結果，提出了一套適合本工作面開采的安全防護體系，對提高生產效益、保障安全開采具有重要意義。

關鍵詞：FLAC3D數字模擬分析；軟底綜采開采；安全防護體系

1 基本情況：

趙家壩104采區9#煤層工作面走向長960m，傾斜長132～200m，垂高平均100m，煤層厚0.87～1.48m，平均1.07m，硬度f=2～3、平均傾角45°，煤層偽頂為薄層炭質泥巖夾多層煤線，厚度約0.61m的偽頂與煤層一同采出，平均采高約1.68m，直接底為厚度0.98m的泥質粉砂巖，巖性為薄層狀炭質泥巖與泥質粉砂巖互層夾煤線、煤屑，底板松軟易破碎。

2 FLAC3D數字建模

根據1942工作面地質條件，建立三維模型，模型長X=100m，寬Y=100m，高Z=120m，Y軸為煤層走向；從上往下巖層分布為頂三角、老頂（泥質粉砂巖）、直接頂（粉砂巖）、偽頂（炭質泥巖）、煤層、直接底（泥質粉砂巖）、老底（粗砂巖）、底三角。

數值模擬模型的位移邊界條件如下：①模型的左右、前后邊界施加水平位移約束，即邊界水平方向的速度矢量和位移均為零；②模型的下邊界在水平和豎直方向均固定，邊界水平和垂直方向的速度矢量和位移均為零；③模型上邊界為自由邊界，計算模型上邊界載荷為上覆巖層自重，側壓系數取1.3。模型上邊界埋深600m，模型上部施加15MPa的均布壓應力。本次數值模型塊體采用摩爾—庫侖塑性模型。摩爾—庫侖塑性模型需要的巖層物理力學參數為密度、體積模量K、剪切模量G、內摩擦角Φ、粘聚力C、剪脹角、抗拉強度σt，模型的力學參數如下表：

3 模擬數據分析

3.1軟底下滑對頂底板的影響

3.1.1滑底對頂底板位移的影響

滑底前頂板下沉量在18.27mm，底板無下沉，頂底板位移量差為17.5～18mm，最大為18.27mm；滑底后，在滑底上方的頂板位移量有所增加，達到19.07mm，其他位置頂板位移分布在17.5～19mm，底板無下沉，頂底板位移量差17.5～19mm，最大為19.07mm。

3.1.2滑底對頂底板應力的影響

滑底前整個工作面應力最大值出現在機巷和風巷的圍巖內側，最大可達22.61MPa，工作面的應力最小值出現在上下端口的頂板中，最小值為10.34MPa；工作面滑底后，工作面的應力分布圖形狀未發生改變，應力值分區間為10.35～22.53MPa，對工作面上端頂底板應力未造成影響，對下端來說，應力值有相應減小，但變化不大可以忽略。

3.2滑底對煤壁的影響

3.2.1軟底下滑對煤壁塑性區的影響

滑底前，煤壁的塑性區范圍很小，主要分布在風巷和機巷圍巖內側1m范圍；滑底后，煤壁的塑性區有了明顯的增大，特別是在滑底處下方，煤壁基本都處于塑性狀態，易發生片幫，對生產安全構成威脅。

3.2.2滑底對煤壁應力分布的影響

滑底前煤壁的應力分布范圍在18～21MPa區間，滑底后，從滑底處開始下方的應力增大到26～28MPa，說明滑底對煤壁應力的影響較大，致使煤壁易出現片幫。

3.3分析結論

通過軟底下滑對頂底板的影響分析，可知工作面軟底下滑對頂底板位移有一定影響，對工作面應力分布產生一定影響，主要表現在下端口。

通過軟底下滑對頂煤層的影響分析，可知工作面滑底后煤壁塑性區以及煤壁應力明顯增加，即滑底后易產生煤壁片幫。

4 安全防護體系設計

4.1工作面飛矸安全防護

根據分析數據，為了解決因滑底后防止煤壁片幫造成飛矸傷害，在下端頭第一架支架和第二架支架行人側用廢舊皮帶或礦編制的擋矸油絲繩網制作兩道擋矸簾，擋矸簾懸掛在支架頂梁上，第一步支架左側下方單體上應懸掛“行人靠左”的警示標語，防止人員誤入右側（下行方向）溜煤側，從第一步支架起至運輸巷用5mm鋼板或厚50mm的優質木板配合皮帶將采空區與行人道全斷面隔開。必須將皮帶上下兩側同時綁在支柱上，確保皮帶固定牢固。在回收密集支柱時，必須從機巷下幫開始先支后回，重支的密集支柱與需回收的密集支柱沿巷道走向成一條直線，防止老塘側煤矸通過密集支柱竄入行人通道。行人通道兩側必須用5mm鋼板或厚50mm的優質木板配合皮帶從第一架支架架前擋板開始將機道與行人道或采空區與行人道全斷面隔開，用于隔開的鋼板或皮帶皮帶必須連接并固定在單體液壓支柱上。

4.2“三機”下滑防護

根據數據，軟底下滑后，尤其是底板位移和煤壁應力在下段較為集中，因此在0#到10#架安裝防倒防滑液壓缸，普架調整采用調架梁及調推與刮板機聯合動作機理防止支架下滑。具體防護體系包括：①底座前端過橋上預留調架千斤頂的安裝位置。②底座布置有后調架千斤頂。③頂梁上預留防倒千斤頂的安裝位置。④頂梁和掩護梁為雙向活動側護板，使用時固定一側。

5 結論

通過 FLAC3D數字建模，計算工作面推進過程中工作面的頂底板和煤壁應力、位移、塑性區的影響，將數字分析結果和現場相結合，使急傾斜煤層綜合機械化開采過程中軟底下滑后安全防護體系設計中更加科學，根據以上安全防護體系的設計，在現場中得到了實施，實施效果較好，有效的杜絕了飛矸傷人事故，杜絕了“三機”下滑現象，有效的促進了安全生產。

參考文獻

[1]FLAC3D軟件建模參數設定規范；

[2]已審批的趙家壩煤礦+115m水平地質說明書；

[3]胡紹祥，李守春.礦山地質學第二版.中國礦業大學出版社，2008

[4]許有圻.煤礦開采學.中國礦業出版社，1999

作者簡介：馮軍成（1987-），男，重慶南川人，大學本科學歷，現為趙家壩煤礦生產技術科副科長。

（作者單位：川煤集團廣旺公司趙家壩煤礦）