大采高工作面矿压显现规律数值模拟研究＊

刘胜志 杨小彬

（1.神华集团，北京市东城区，100011；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京市海淀区，100083）

大采高工作面矿压显现规律数值模拟研究＊

刘胜志1杨小彬2

（1.神华集团，北京市东城区，100011；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京市海淀区，100083）

为了研究特定煤层赋存条件下大采高工作面在推进过程中的矿压显现规律，采用数值模拟的方法模拟两层煤之间有一层厚夹矸和坚硬顶板的大采高工作面的矿压显现规律，模拟过程中采用计算模型改变命令实现了工作面的连续推进。通过数值模拟得到了工作面顶底板位移及应力分布规律。

大采高工作面 矿压显现 数值模拟 垮落步距

1 概述

随着我国煤炭资源开采的强度不断增大，大采高综合开采方法是近年来采煤方法发展的一大趋势。大采高工作面目前存在的主要问题包括矿压、机电和工作面采煤工艺问题，国内许多学者专家对大采高综合开采过程中存在的问题进行了大量的研究工作。工作面矿压显现不仅与煤层赋存条件、水文地质条件、顶底板岩性、工作面开采工艺等因素有关还与工作面后方顶板垮落有关。本文采用数值方法对大采高工作面的矿压显现规律进行研究。研究对象是两层煤中间存有一层夹矸、直接顶为坚硬的石灰岩，其矿压现象规律与其他全煤大采高工作面存在明显的差异。

研究的煤层岩性如图1所示，9＃煤层直接顶为深灰色石灰岩（K2），厚2.24～11.50m，平均厚6.0m，与煤层接触面凸凹不平，一般不易冒落，为塑性I级顶板；10＃煤层顶板即为9＃煤层底板，为灰色泥岩或砂质页岩，层厚0.35～5.65m，平均厚1.2m，层理、节理均发育，节理走向为45～50°，倾角70°，顶板松软，为中等稳定顶板；10＃煤层底板为灰黑色页岩或泥岩及砂质泥岩，层理发育，厚1.2～3.5m，平均厚2.3m，其中，直接底为平均厚0.4m灰黑色层理发育的页岩，老底为平均厚1.3m灰色中砂岩，含方解石脉，硬度系数f≈5，9＃煤层（毛四尺）位于太原组下段的顶部，直接位于K2灰岩之下，层位稳定，煤层厚度0.7～1.73m，平均厚度约为1.0m，硬度系数为f≈0.89，属软弱煤层；10＃煤层位于太原组下段，是主要可采煤层之一，位于9＃煤层之下，结构复杂，煤层厚度2.02～4.91m，平均约为4.0m，含两层稳定夹矸，硬度系数为f≈0.7。

以往对于该种煤层赋存条件分别采用了分层开采（9＃、10＃煤分别开采）、只开采10＃煤层和采10＃煤放9＃煤的方法。分层开采由于9＃煤层薄，开采效率低，同时造成10＃煤开采时顶板破碎；只开采10＃煤层将9＃煤直接冒落到采空区，造成大量采空区遗煤，给自燃发火创造了有利条件，同时也造成大量的煤炭资源浪费；采10＃煤层放9＃煤层的开采方法，由于9＃、10＃煤层之间有1.2m左右的夹层，放煤量有限，同时放下的煤存在大量的矸石，给运、选煤带来困难。为了避免前3种方法的缺点，考虑采用9＃、10＃煤层一次采全高的方法，但也存在采高较高（6.4m）、两煤层之间含有1.2m夹矸且直接顶平均厚度约5m、硬度系数大于12的石灰岩等不利条件，同时存在工作面上下回采巷道过渡及采煤机割煤进刀等问题，特别是开采过程中矿压显现问题，都需要进行科学的研究。

图1 煤层综合柱状图

2 数值计算模型

对于该种大采高工作面，现场测试和实验模拟都存在一定的困难，同时也很难直观得出工作面推进过程中矿压显现规律，通过数值模拟，模拟工作面推进过程中的压力及位移分布，为工作面生产工艺设计和实际生产提供理论指导。

根据图1所示的煤岩赋存条件，采用商用有限元软件建立了工作面推进二维平面应力模型。考虑工作面的推进，在数值模型中采用了多个分析步，每一分析步对应一次工作面的实际推进；同时为了简化模型，将工作面分为初次跨落模型和周期跨落模型分别进行模拟。其计算模型如图2所示，在图2中模型底部限制其位移，模型左右采用对称边界条件，模型上部考虑上覆岩层重量赋予均布压力，同时模型中输入煤、岩的密度及对应的物理力学参数。模拟过程中均采用静态分析，在分析过程定义开采后顶底板接触边界条件，随着采动的推进，不断变化顶底板接触边界。同时，在上一分析步进入下一分析步的进程中需要修改模型，在形成的计算文件中人为添加模型改变命令行。模拟计算中，由于存在大变形（顶板跨落）和顶底板接触问题，在隐式迭代中需要判断模型计算是否收敛。在计算中采用摩尔－库仑（Mohr Coulumb）准则，需要输入岩石材料的内聚力、摩擦角、剪胀角等力学参数。

图2 计算模型示意图

3 数值模拟结果

通过数值模拟分别得到开采过程中的应力分布云纹图，并简单处理得到顶底板的应力分布和位移分布曲线。

随着工作面的推进，在顶板初次来压后，裂隙带岩层形成的结构发生“平衡—失稳—再平衡”的周期变化，从而顶板发生稳定、跨落、在稳定的周期现象。

图3为模型模拟工作面推进过程中米塞斯应力分布结果图，分别给出了工作面推进10m、20m和25m时的应力分布图。从图3中可以看出，当工作面推进10m时，顶板上部出现拉应力集中，并开始出现微裂纹，随着工作面的进一步推进，在推进25m时，顶板上部和顶板下部（工作面顶角）处的裂纹开始贯通，发生跨落。此时顶板的破坏形式为拉应力使顶板的上部出现裂纹，而最后的失稳是剪应力作用的结果。

图3 工作面推进过程中应力分布云图

沿着9＃煤的顶板和10＃煤的底板分布选取网格点，绘制在工作面推进25m时的应力和位移分布，图4为模型顶板应力和位移随着工作面推进的分布曲线图，图5为模型底板应力和位移随着工作面推进的分布曲线图。

从图4和图5中可以看出，随着工作面的推进，在工作面的附近顶底板存在压力降，在切眼后端煤柱前端存在压力降，采空区的压力分布存在一个抛物线分布，而在工作面前方存在一个压力升高区；顶底板位移变化趋势相反，由于顶板悬空，靠近采空区中部顶板位移下沉量大；而底板由于上部压力释放，发生弹性恢复，略有底臌现象。

目前大采高工作面普遍存在片帮明显的现象（相对于采高较低的工作面而言），究其原因，由于采高增大，液压支架支撑相对压缩量增大，采空区顶板冒落碎胀不能象较低采高那样充实采空区而造成顶板出现台阶垮落，从而造成顶板相对悬空长度增加并难以形成“砌体梁”结构，最终造成工作面前方压力增高区向支架方向移动导致工作面片帮严重。对于本研究中的大采高，由于9＃、10＃煤之间的夹层存在，在一定程度上缓解了片帮的严重性，但对于10＃煤接近夹层一定距离内的煤壁会存在较明显的片帮现象。

4 结 论

利用数值计算方法模拟了两层煤间有一厚夹矸和坚硬顶板组成的大采高工作面压力及位移分布规律，利用模型改变命令实现了工作面连续推进，并得到了该大采高工作面推进过程中的应力分布云图。通过选取煤层顶底板网格点绘制了顶底板在工作面推进25m时的应力位移曲线。数值模拟结果可为该大采高工作面实际生产时的矿压控制提供理论参考。

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Numerical simulation of strata－pressure behaviors in fully－mechanized working face with large mining height

Liu Shengzhi1，Yang Xiaobin2

（1.Shenhua Group Corporation Ltd.，Dongcheng，Beijing 100011，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to study the strata－pressure behaviors under the special occurrence of coal seams during the advancing of fully－mechanized working face with large mining height，the stratapressure behaviors were simulated for the working face composed of two coal seams with intercalated thick gangue and hard roof.During the numerical simulation，the continuous advance of working face was realized by the change of program commands.The laws of displacement of coal seam roof and floor and the stress distribution were also obtained.

working face with large mining height，strata－pressure behavior，numerical simulation，caving interval

TD322

B

国际科技合作计划项目（2010DFA24580）

刘胜志（1975－），男，河北保定人，工程师，硕士学历。主要从事煤矿建设和生产工作。

（责任编辑 张毅玲）