基于數值模擬的塔山煤礦近場頂板來壓及控制規律研究1)

李金波 王素玲 董康興 趙新宇 解文琦 張紫衡

(東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318)

堅硬頂板特厚煤層賦存條件下，頂板難以及時垮落，在采空區大面積懸頂超過一定極限時，冒落的頂板將采空區內空氣瞬間壓出，形成沖擊波，表現為強烈的周期來壓和動力現象[1-3]，大同礦區塔山等礦井工作面壓架事故頻發，巷道變形嚴重，難于支護。因此優化人工強制采放工藝能改善頂板受力環境, 有效控制頂板變形破壞過程[4]，傳統方法一般采取爆破法，而孫守山等[5]在波蘭首次將定向水力壓裂方法應用于堅硬頂板，黃炳香等[6]認為該方法有利于形成豎直方向水力主裂縫，破壞巖石的完整性。Matsui 等[7]和馬賽等[8]將兩種放頂方法進行對比，從處理效果和經濟安全綜合證明了定向水力壓裂技術具有突出優勢。張占濤[9]認為頂板巖層的強度、結構和地應力場是壓裂設計的基礎和依據。劉鵬[10]通過數值計算發現來壓步距隨基巖分層厚度呈線性增加。于斌等[11-13]以覆巖結構特征和礦壓作用機理為切入點提出遠近場協同預裂控制技術，近場巖層破斷后呈“懸臂梁+ 砌體梁” 結構特征，錢鳴高等[14]提出的砌體梁理論揭示了巖層破斷的礦壓作用，開采導致原來的應力平衡破壞，巖體內部應力重新分布，對壓裂設計至關重要，系統地研究頂板預裂控制技術對煤層安全開采具有重要意義，賦存條件的差異使得堅硬頂板控制仍是個難題。

本文以塔山煤礦某工作面為工程背景，基于損傷斷裂力學，采用ABAQUS 二次開發實現基質網絡的全局嵌入，實現了黏聚力單元交叉擴展，并通過二次編譯建立了煤層開采數值模型。……