綜放工作面順序放煤采動力學分析

鄭海波，折 雄

（陜西彬長胡家河礦業公司，陜西 咸陽713602）

0 引言

厚煤層及特厚煤層在我國煤炭資源中占有相當大的一部分比例，而針對厚及特厚煤層目前常采用放頂煤的開采方式，放頂煤具有開采效率高、設備布置簡單、人員利用率高以及成本低等優勢[1-3]，在放頂煤開采中，由于工藝的不同，存在不同的放煤順序，如順序放煤，間隔放煤和兩端向中間放煤等，不同的放煤順序，導致頂煤處于不同的應力狀態，而順序放煤是最常用的放煤方式之一，因此有必要研究順序放煤時的頂煤受力特征，為綜放工作面的安全開采及合理支護提供基本理論依據[4-5]。

1 順序放煤基本原理

順序放煤工藝如圖1所示：

圖1 順序放煤工藝示意圖

順序放煤工藝即沿著回采工作面依次順序對上部頂煤放出，放煤順序依次為1→2→…n→…，順序放煤過程中，前方煤層的受力分布特征如圖2所示：

圖2 順序開采上部煤層受力分布特征

2 不同煤厚下順序放煤采動力學數值模擬

2.1 模型基本條件

本次數值計算使用的軟件是世界著名大型通用有限元分析軟件ANSYS，擁有240余種單元，上百種材料本構模型，具有塑性、蠕變、粘彈性等多種非線性求解和多物理場耦合分析功能。其中的ANSYS的單元生死技術，可以很好的模擬整個頂煤開采的采煤和放煤過程；同時，采用的本構模型能夠較好地模擬煤巖體等巖石類材料，適合本研究項目的數值計算工作。本次分析采用ANSYS V14.0 64bit版本完成。

選定模擬地點為某礦8212工作面，直接頂：厚度為5.67～17.68m，平均為11.39m，以泥巖為主。老頂：厚度為16.91～34.89m，平均為23.41m，以粗粒砂巖為主。直接底：厚度為0.45～7.90m，平均厚度為3.90m，以高嶺巖為主。老底：厚度為1.40～24.59m，平均厚度為11.97m，以含礫粗砂巖為主。

2.2 模擬工況與基本參數

放頂煤開采大致可以分為三個步驟，分別是：

1）計算初始地應力。本次計算，地應力以自重應力為主，沒有考慮構造應力的影響，故本研究僅考慮自重應力作為初始地應力；

2）開挖及加支架計算。在初始地應力基礎上，計算原始煤巖在工作面推進方向開挖12m后的情況，即在有限元分析中使用單元生死功能殺死被挖去的開挖煤體單元，并同時激活支架單元。

3）不同放煤工序計算。即分別計算順序、間隔及從兩端向中間放煤時，頂煤的應力狀態。

根據參數反演的結果，最終選取的計算參數如表1。

表1 巖石物理力學參數

2.3 模型建立與邊界條件設置

三維模型以開挖負方向為Z軸；Y軸方向為鉛直方向，向上為正；X軸方向平行于放煤方向。結合工作面相關地質資料，本次計算三維模型為：300×300×300m。關心的巖層區域為：50×50×50m，位于模型的中部。本次煤層厚度為11m，煤層的y坐標范圍依次為，139～146m、139～150m和139～158m。第二步驟原始煤巖在工作面推進方向開挖12m后，挖掉y坐標范圍為139～142m的煤層，激活支架單元進行計算，然后分別進行順序放煤下的模擬。

3 計算結果分析

圖3 11m厚煤巖順序放煤有限元模型

通過建立數值模擬模型對11m厚煤層進行順序放煤的采動力學分析，建立的有限元模型如圖3所示。

放第2塊煤：

圖4 11m煤層頂煤應力分布曲線(放第2塊煤)

從11m厚煤層第2次順序放煤中，頂煤不同高度應力分布曲線及應力云圖可以看到，11m厚煤層頂煤下部（Y=142m）處，第3塊煤巖的豎向應力最大，為19.7MPa，第25塊煤巖應力最小，為18.3MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為18.5MPa；中部(Y=146m)處，中間煤塊的豎向應力最大，為12.7MPa，第3塊煤巖應力最小，為11.8MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為12.5MPa；上部（Y=150m）處，煤巖的豎向應力分布較為均一，且中間煤巖的豎向應力較大，為17.9MPa，第25塊煤巖應力最小，為15.8MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為17.5MPa。

放第8塊煤：

圖5 11m煤層頂煤應力分布曲線(放第8塊煤)

從頂煤不同高度應力分布曲線及應力云圖可以看到，11m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第9塊煤巖的豎向應力最大，為21.0MPa，第25塊煤巖應力最小，為18.3MPa，下部煤巖的平均豎向應力約為18.5MPa；中部（Y=146m）處，中間煤塊的豎向應力最大，為13.0MPa，第9塊煤巖應力最小，為11.9MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為12.5MPa；上部(Y=150m)處，煤巖的豎向應力分布較為均一，且中間煤巖的豎向應力較大，為17.9MPa，第25塊煤巖應力最小，為15.8MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為18.0MPa。

放第14塊煤：

圖6 11m煤層頂煤應力分布曲線(放第14塊煤)

從頂煤不同高度應力分布曲線及應力云圖可以看到，11m厚煤層頂煤下部（Y=142m）處，第15塊煤巖的豎向應力最大，為21.0MPa，第25塊煤巖應力最小，為18.3MPa，下部煤巖的平均豎向約為18.5MPa；中部（Y=146m）處，中間煤塊的豎向應力最大，為13.0MPa，第15塊煤巖應力最小，為11.9MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為12.5MPa；上部（Y=150m）處，煤巖的豎向應力分布較為均一，且中間煤巖的豎向應力較大，為18.0MPa，第25塊煤巖應力最小，為15.8MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為18.0MPa。

放第18塊煤：

圖7 11m煤層頂煤應力分布曲線(放第18塊煤)

從頂煤不同高度應力分布曲線及應力云圖可以看到，11m厚煤層頂煤下部（Y=142m）處，第19塊煤巖的豎向應力最大，為21.0MPa，第25塊煤巖應力最小，為18.3MPa，下部煤巖的平均豎向約為18.5MPa；中部（Y=146m）處，中間煤塊的豎向應力最大，為13.0MPa，第19塊煤巖應力最小，為11.9MPa，中部煤巖的平均豎向應力約為12.5MPa；上部（Y=150m）處，煤巖的豎向應力分布較為均一，且中間煤巖的豎向應力較大，為17.9MPa，第25塊煤巖應力最小，為15.8MPa，上部煤巖的平均豎向應力約為18.0MPa。

4 結論

1）對于11m厚煤巖順序放煤，頂煤下部的豎向應力值均大于煤巖上部和中部的豎向應力。在放第2、8、14及18塊煤時，頂煤下部和上部的最大應力均出現在臨空煤塊（分別為第3、9、15及19塊煤巖）上，頂煤中部應力分布較為均一，為頂煤高度方向應力最小的部位。

2）從11m厚煤層順序放煤時頂煤應力云圖及應力狀態分布曲線可以看到，頂煤下部是煤巖應力增幅最大的部位。