綜放工作面兩端向中間放煤采動力學分析

張存杰

（長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100）

放頂煤是厚煤層高產高效開采的最有效方式之一[1-2]。放頂煤開采主要采取沿煤層的底板或煤層某一厚度范圍內的底部布置一個采煤工作面，利用礦山壓力的作用或輔以松動爆破等方法，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出。放頂煤開采時，不同的放煤順序會引起煤巖層不同范圍移動，在采動和煤體瓦斯壓力耦合影響下，上覆巖層中采動裂隙場與原生裂隙場疊加，其時空演化規律極其復雜[3-5]。本文主要研究了兩端向中間放煤工序下的采動力學，對于研究該放煤工序下的安全開采具有重要意義。

1 工程概況

山煤集團長治經坊煤業3-802 工作面北側鄰近3-803 工作面（已采），南側鄰近礦界保安煤柱和華昇榮煤礦采空區，西側鄰近陶清河河道，東側與八采區軌道、回風巷相連通。3-802 工作面主采3#煤，工作面底板標高+490m～+570m，煤層厚度5.9～6.3m，平均厚度6.2m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°，采煤方法為走向長壁后退式綜合機械化放頂煤。工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 工作面煤層頂底板情況表

2 兩端向中間放煤力學機理分析

兩端向中間放煤的放煤順序示意圖如圖1 所示。兩端向中間放煤工藝即沿著回采工作面從兩端向中間將上部頂煤放出，如圖1 所示的兩端向中間放煤順序依次為n →m →n+1 →m+1 →……，最后放中間煤塊M。在兩端向中間采煤過程中，中間殘留煤層的應力集中系數同樣按King 假設計算，結合順序及間隔放煤的應力集中系數，兩端向中間放煤過程中前方煤層的受力分布特征如圖2 所示。

圖1 兩端向中間放煤工藝示意圖

圖2 兩端向中間放煤上部煤層受力分布特征

煤柱所受荷載可按剪切線所包圍的上覆巖層的重量進行計算，對于放煤寬度 的情況下，此時M號煤層所受載荷P 為：

式中：

P-放煤后煤層所受上覆巖層荷載，kN；

θ-上覆巖層平均剪切角，°；

H-開采深度，m；

γ-上覆巖層加權重度，kN/m3；

B0-放煤寬度，m；

BP-煤柱寬度，m。

則有，兩端向中間放煤工序下的應力集中系數 ：

式中：

K '-兩端向中間放煤工序下的應力集中系數。

3 數值模擬分析

3.1 模型的建立

為研究3-802 工作面綜放工作面兩端向中間放煤在不同放煤次數時的頂煤應力分布規律，為綜放工作面采用該放煤方式時提供基本的理論依據，保證綜放工作面安全順利開采，在有限元軟件ANSYS 中建立了有限元模型來對不同工況進行分析。主要分析了在煤層厚度分別為6m條件下第2次、第8 次、第14 次和第18 次放煤時的頂煤應力分布特征，以得出其內部規律。

3.2 煤層6m 時兩端向中間放煤采動力學分析

3.2.1 第2 次放煤

從圖3 可以看到，6m 厚煤層頂煤下部（Y=142m處），第13 塊煤巖的豎向應力最大，為20.1MPa，第2 塊煤巖應力最小，為18.9MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為19.6MPa；中部（Y=144m 處），第2 塊煤巖的豎向應力最大，為22.7MPa，第3 塊煤巖應力最小，為20.3MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為21.5MPa；上部（Y=146m 處），第2 塊煤巖的豎向應力最大，為20.1MPa，第4 塊煤巖應力最小，為18.9MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為19.6MPa。

圖3 煤層厚度6m 兩端向中間放煤頂煤應力分布曲線（第2 次放煤）

3.2.2 第8 次放煤

從圖4 可以看到，6m 厚煤層頂煤下部（Y=142m處），第13 塊煤巖的豎向應力最大，為20.1MPa，第6 塊煤巖應力最小，為20.0MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為20.1MPa；中部（Y=144m 處），第2 塊煤巖的豎向應力最大，為24.9MPa，第7 塊煤巖應力最小，為22.6MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為23.0MPa；上部（Y=146m 處），第13 塊煤巖的豎向應力最大，為21.5MPa，第7 塊煤巖應力最小，為20.1MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為20.8MPa。

圖4 煤層厚度6m 兩端向中間放煤頂煤應力分布曲線（第8 次放煤）

3.2.3 第14 次放煤

從圖5 可以看到，6m 厚煤層頂煤下部（Y=142m處），第8 塊煤巖的豎向應力最大，為22.4MPa，第13 塊煤巖應力最小，為20.0MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為20.8MPa；中部（Y=144m 處），第8 塊煤巖的豎向應力最大，為25.2MPa，第13 塊煤巖應力最小，為23.8MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為24.5MPa；上部（Y=146m 處），第13 塊煤巖的豎向應力最大，為20.4MPa，第17 塊煤巖應力最小，為20.0MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為20.2MPa。

3.2.4 第18 次放煤

從圖6 可以看出，6m 厚煤層頂煤下部（Y=142m處），第10 塊煤巖的豎向應力最大，為20.6MPa，第11 塊煤巖應力最小，為20.4MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為20.5MPa；中部（Y=144m 處），第10 塊煤巖的豎向應力最大，為25.6MPa，第13塊煤巖應力最小，為23.3MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為24.0MPa；上部（Y=146m 處），第13塊煤巖的豎向應力最大，為20.6MPa，第11 塊煤巖應力最小，為20.0MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為20.3MPa。

圖5 煤層厚度6m 兩端向中間放煤頂煤應力分布曲線（第14 次放煤）

可以看到，6m 煤層在兩端向中間放煤過程中，頂煤兩側煤塊中部的應力仍為最大應力處，從兩端向中間放煤的過程中，頂煤的峰值應力一直在向中間移動，且整個頂煤處于較高的應力狀態，兩端放掉的煤塊越多，中間煤塊應力越大。因此，可以推測在整個放煤過程中，最后一塊煤的應力最大，得到豎向最大應力約為30.0MPa，約為初始應力σ0的2.5 倍。因此在從兩端向中間放煤過程中，應特別注意加強對工作面中部的支護，保證作業安全。

圖6 煤層厚度6m 兩端向中間放煤頂煤應力分布曲線（第18 次放煤）

4 結論

（1）以山煤集團長治經坊煤業3-802 工作面為工程背景，提出了綜放工作面兩端向中間放煤的基本力學模型，分析了兩端向中間放煤上部煤層受力分布特征以及放煤煤柱受力荷載。

（2）在有限元軟件ANSYS 中建立了有限元模型，分析了6m 煤厚下不同放煤次數的頂煤受力特征。結果表明，在兩端向中間放煤過程中，頂煤兩側煤塊中部的應力為最大應力處，從兩端向中間放煤的過程中，頂煤的峰值應力一直在向中間移動，且整個頂煤處于較高的應力狀態，兩端放掉的煤塊越多，中間煤塊應力越大。