特厚煤層綜放面合理不放煤距離模擬分析

鮑永強

（煤炭工業汾西礦區建設工程質量監督站， 山西 介休 032000）

文中采用ANSYS軟件建立綜放面回采的三維力學計算模型，然后導入更為適用于巖土及采礦工程的FLAC3D軟件中，分析在停采線煤柱分別為170 m、150 m、120 m、不放煤距離分別為 80 m、50 m、20 m、0 m及是否考慮煤壁坍塌的情況下，停采線煤柱支承壓力分布規律及1070回風大巷、8105工作面中部回風巷的變形及應力變化規律。

1 工程概況

礦井主采石炭二疊3號、5號合并煤層，平均19.4 m。一盤區8105工作面東部與西部分別與8104、8106工作面相鄰；西部，南部是1070回風巷、1070輔運巷、1070皮帶巷三條主要大巷，留設的口泉鐵路保護煤柱位于工作面北部；煤層上方為其他煤礦14號、15號煤層采空區，14號煤層屬淺埋煤層，埋深為17.5～109.9 m，14號煤層至15號煤層相隔15.6～18.4 m，15號煤層與3號—5號煤層間隔為314～320 m，根據鉆孔柱狀圖可以得出，8105工作面煤層平均埋深約505 m。

圖1 8105工作面示意圖

2 模型建立及參數選取

2.1 數值模型的建立

建立計算模型時，模型大小為長×寬×高=700 m×400 m×145 m。從底向上對模型分層定義底部20 m部分為細砂巖層底板、15 m煤層、8 m巖漿巖層頂板、16 m砂質泥巖層、36 m粗砂巖層和上部50 m細砂巖層。

2.2 力學參數選取

材料模型定義為MonCoulomb模型，模型邊界條件設置中，除了模型頂部加載，其余五個邊界面全部約束，即固定X、Y、Z三個方向的位移。工作面平均埋深505 m，覆巖平均密度取2 500 kg/m3，則需在模型頂部施加9.87 MPa的垂直壓應力。模型中各巖層參如表1所示[2-3]。

表1 巖石力學參數

2.3 模擬方案設計

數值模擬中需要分別對不同寬度的停采線煤柱、不同的不放煤距離及是否考慮煤壁坍塌三種情況進行分析，模擬方案如下：

1）根據前述的模擬結果，找出合理的停采線煤柱寬度，在此條件下模擬分析不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m、0 m時，支承壓力對1070大巷及8105工作面中部回風巷的影響。

2）在合理的停采線煤柱寬度的基礎上，研究在不放煤距離為80 m、50 m、20 m和0 m時煤壁坍塌對停采線煤柱及巷道應力及圍巖變形的影響。

3 合理不放煤距離模擬

由分析可知，停采線煤柱寬度可減少至150～160 m，在此種情況下，研究不同的不放煤距離對1070大巷及8105中部回風巷的影響，原設計不放煤距離為距停采線80 m，模擬時取不放煤距離分別為80 m、50 m、20 m和0 m進行計算，8105工作面煤層底板切面的應力如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著不放煤距離的減少，應力的影響范圍逐漸增大，在圖3-1，3-2，3-3中如果以應力集中系數1.12邊界為準，隨著不放煤距離的減少，應力的影響范圍逐漸增大，當不放煤距離為0 m時，應力影響范圍明顯增大，如圖3-4所示。

圖3 不同不放煤距離應力云圖

8105工作面與1070回風巷在不放煤距離為80 m、50 m、20 m和0 m四種情況下工作面回采對停采線煤柱內部、8105中部回風巷及1070回風巷圍巖應力與變形影響程度進行對比。

1）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時，停采線煤柱內部應力峰值分別為15.11 MPa、15.26 MPa、15.45 MPa、15.69 MPa，應力集中系數分別為1.21、1.22、1.23、1.26；左幫的應力峰值分別為 14.35 MPa、14.67 MPa、14.93 MPa、15.26 MPa，應力集中系數分別為 1.15、1.17、1.19、1.22；右幫的應力峰值分別為14.09 MPa、14.65 MPa、15.12 MPa、15.83 MPa，應力集中系數分別為 1.13、1.16、1.20、1.25。隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱內部及中部回風巷的兩幫應力峰值及應力集中系數逐漸增大，其中從20 m縮小到0m，支承壓力存在一個較大的增幅，但應力峰值與集中系數的最大與最小值相差0.91 MPa和0.12，整體變化范圍較小。

2）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時，巷道項底板移近量最大值分別為133mm、154mm、173mm、195 mm；兩幫移近量最大值分別為23 mm、26 mm、28 mm、32 mm；隨著不放煤距離減小，中部回風巷頂底板位移及兩幫移近量最大值都增加，特別是20 m減少到0 m時，增加明顯。

3）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時，左幫的應力峰值分別為 14.01 MPa、14.04 MPa、14.10 MPa、14.18 MPa，應力集中系數分別為 1.12、1.12、1.13、1.14；右幫的應力峰值分別為12.72 MPa、12.81 MPa、12.93 MPa、13.15 MPa，應力集中系數分別為1.01、1.02、1.03、1.04，隨著不放煤距離減小，可以看出1070回風巷兩幫所受應力有所增加，兩幫應力峰值最大與最小值相差0.43 MPa，應力集中系數相差0.03，整體上變化范圍不大，但是20 m減少到0 m時，增加幅度變大。

4）不放煤距離為 80 m、50 m、20 m、0 m 時，巷道頂底板移近量最大值分別為4 mm、6 mm、7.6 mm、10 mm；兩幫移近量最大值分別為5 mm、5.4 mm、6 mm、6.8 mm；隨著不放煤距離減小，1070回風巷頂底板位移及兩幫移近量都有所增加，尤其從20 m減少到0 m時，增幅較大。

4 結語

研究得出的特厚煤層綜放開采條件下，隨著不放煤距離的減少，停采線煤柱、8015工作面中部回風巷及1070回風大巷所受的垂直應力、頂底板移近量、兩幫移近量都有所增大，其中20 m減少到0 m時，巷道圍巖應力及變形程度較明顯，可以將不放煤距離為20 m時作為臨界放煤狀態，確定合理的不放煤距離為20 m。