数值模拟技术在工作面回撤过程中的应用

周晓彬

(汾西矿业集团公司中兴煤业，山西 交城 030500)

国内外传统的工作面搬家主要以绞车、蓄电池机车、轨道平板车等多段分散落后的传统辅助运输方式为主。不仅运输环节复杂效率低，而且安全性差。近几年，综采工作面快速搬家的成套装备和根据各矿区地质条件采用的多点、双点、单点回撤工艺技术已经在美国、澳大利亚、南非等采煤大国得到普及应用，并取得了显著的经济效益［1］。其中，多通道快速回撤技术在我国内蒙地区已经得到普遍推广。多头作业提高了撤架速度，缩短了撤架时间，无轨胶轮车将支架装、运、卸集于一体，从而提高了工作效率;预掘辅巷的措施，省去了回采工作面为形成撤架的调向空间，切割煤壁的工序，从而减少了撤面所需的时间［2］。实现综采工作面的快速安全回撤，关键在于工作面收尾时的贯通质量和顶板的支护质量。本文采用FLAC数值模拟软件，对山西某煤矿工作面回撤过程进行模拟，分析两回撤巷道及其煤柱的受力变形情况以及工作面超前支承压力的分布，为工作面安全顺利回撤提供指导。

1 地质概况

山西某煤矿工作面推进长度1417 m，倾斜长度300 m，煤层倾角2°～5°，煤厚平均 5.14 m，采高 4.5 m，工作面回采至停采线，与回撤通道贯通后进行设备回撤，回撤系统平面图见图1。

图1 6上105－1工作面回撤系统平面图

主辅回撤巷道断面为矩形，主回撤宽5.6 m，高4 m，辅回撤宽5.2 m，高3.6 m。支护形式为锚杆、锚索、网片、钢筋梯联合支护，主回撤巷道回采侧帮采用d18 mm，L=2.2 mm的玻璃钢锚杆，其余锚杆均采用d18 mm，长度L=2.2 m的25 MnSi螺纹钢。锚索采用 d15.24 mm，L=7.2 m 的 7 股钢绞线;锚杆排距0.9 m，主回撤巷道锚索排距1.8 m，辅回撤巷道锚索排距2.7 m。主回撤通道布置双排垛式支架进行加强支护，支架间距2 m，迈步错距0.5 m。

2 模型的建立

2.1 几何模型的建立

根据工作面地质条件、煤岩条件以及模型边界对模拟准确性的影响［3，4］，建立以下模型进行计算:工作面走向模型范围为441 m×155.8 m，共32544个单元网格，32980个节点，模型包括6上105－1工作面及主辅回撤通道模型图见图2。

图2 6上105－1工作面走向模型图

2.2 本构模型和岩体物理力学参数的选取

岩体开挖前，煤层及各个岩层处于原岩应力状态。此次模拟采用弹塑性模型，破坏准则选用 mohr－ Coulo mb 准则［5］。

岩体的物理力学参数如:弹性模量、黏聚力和抗拉强度等取值往往只有煤岩块相应参数值的1/5～1/3，有的差别可能更大，比值达到1/20～1/10，而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的1.2～1.4倍［6］。经过实验测定和理论分析，确定了本次模拟的煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数表

2.3 边界条件和加载条件

模型左右边界施加水平约束，即边界水平位移量为零;模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移量均为零;工作面走向模型两侧施加3.29～7.36 MPa的梯度应力，顶部施加3.25 MPa等效载荷，垂直方向设定自重载荷。

为了使数值计算更接近实际，采用两组support单元模拟双排垛式支架;同时锚杆采用cable单元进行模拟。

3 模拟结果分析

3.1 6上105－1工作面回撤过程应力分析

工作面回采后，在工作面两端头形成应力集中。当工作面距离回撤通道＞80 m时，回撤通道附近基本未受工作面回采影响，仅是回撤通道自身产生了应力集中，垂直应力为8.9～9.4 MPa;随着工作面向前推进，回撤巷道受到的影响越来越明显，回撤通道附近应力逐步增大，见表2。工作面采到距回撤巷道50 m处时，主回撤通道受工作面回采影响显著，最大垂直应力达到11.8 MPa，为原始垂直应力的1.5倍;当工作面贯通时主回撤通道最大垂直应力达到21.4 MPa，辅回撤通道最大垂直应力达到13.4 MPa。

在6上105－1工作面推进过程中，工作面前方支承应力峰值位于工作面前方的5.8～6.4 m处，且始终保持不变，见表3。工作面前方支承应力峰值随着工作面向回撤通道方向的推进越来越大，工作面距回撤通道 ＞30 m 时，峰值为17.0 ～17.2 MPa，工作面距回撤通道＜30 m时，受回撤通道的影响，应力产生叠加，峰值为 17.6 ～21.5 MPa。

表2 随工作面回采回撤通道附近最大垂直应力表

表3 随工作面回采工作面前方支承压力表

随着工作面的推进，距离回撤通道越来越近，回撤通道之间煤柱上的应力也发生变化，见图3～6。当工作面距离主回撤通道＞20 m时，主、辅回撤通道之间煤柱的应力为7～8 MPa，当工作面距离主回撤通道＜20 m直至贯通时，主、辅回撤通道之间煤柱的应力为9～11 MPa，且主回撤通道煤壁内的应力集中现象明显，达到14～22 MPa。撤面期间主回撤通道支承压力和辅回撤通道围岩应力相互叠加，主、辅回撤通道之间煤柱的应力较正常开采期间的应力值高2～3 MPa，即撤面期间巷道和煤柱的支承压力增大，回撤时应加强支护。

图3 距回撤通道80 m时回撤巷道之间煤柱应力曲线图

图4 距回撤通道50 m时回撤巷道之间煤柱应力曲线图

工作面和主回撤巷道贯通后，回撤巷道间煤柱支承压力增大，煤柱弹塑性变形区分布见图7。在工作面采动影响下，煤柱大部分区域都处于弹性应变状态。主回撤巷道侧塑性区宽度为6 m，辅回撤巷道侧为4 m，煤柱的弹性区为15 m，煤柱受力状态较好。结合煤柱低应力区、高应力区分布状态的分析，主辅回撤通道之间的煤柱能够承受支承压力的作用，具有足够的承载能力。

图5 距回撤通道20 m回撤巷道之间煤柱应力曲线图

图6 贯通后回撤巷道之间煤柱应力曲线图

图7 贯通后回撤巷道间煤柱塑性区分布图

3.2 6上105－1工作面回撤过程位移分析

随着工作面向回撤通道方向的推进，主、辅回撤通道顶板的位移越来越大见图8、图9，工作面距回撤通道30 m时，主、辅回撤通道顶板垂直位移开始大幅度增加，工作面与主回撤通道贯通后，主、辅回撤通道顶板最大垂直位移分别为652 mm、273 mm。模拟显示，主回撤通道顶板变形较大，设备回撤时应加强支护。

图8 主回撤通道顶板垂直位移曲线图

图9 辅回撤通道顶板垂直位移曲线图

4 结论

1)随着工作面向前推进，回撤巷道受到的影响越来越明显，回撤通道附近应力逐步增大。主回撤通道最大垂直应力达到21.4 MPa，辅回撤通道最大垂直应力达到 13.4 MPa。

2)随着工作面的推进，回撤通道之间煤柱上的应力也发生变化。贯通时主回撤通道煤壁内的应力集中现象明显，达到了14～22 MPa。

3)工作面贯通时，煤柱大部分区域都处于弹性应变状态，结合煤柱低应力区、高应力区分布，主辅回撤通道之间的煤柱能够承受支承压力的作用，具有足够的承载能力。

4)当工作面距主回撤通道20 m后，主回撤通道应力及顶板位移显著增加;工作面贯通时主、辅回撤通道顶板垂直位移达到最大，分别为652 mm、273 mm。

因此，工作面距离主回撤通道50 m时，应加强对回撤通道(尤其是主回撤通道)的支护，采用支柱补强支护，保证垛式支架的工作阻力，对主回撤通道回采贯通侧帮部、辅运顺槽回采侧帮部注瑞米加固一号加固煤壁，防止回撤通道顶板下沉，实现安全快速回撤。

［1］雷 煌.综采工作面快速搬家成套装备与技术的应用［J］.煤炭科学技术，2008(8):1－3.

［2］张永红，张再明.神东矿区综采面设备多通道快速回撤工艺的应用［J］.科技与经济，2006(6):112.

［3］陈晓祥，谢文兵.采矿过程数值模拟模型左右边界的确定［J］.煤炭科学技术，2007(4):96－97.

［4］陈晓祥，韦四江.采矿数值模拟研究中上部边界条件确定的探讨［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2008(6):41－42.

［5］刘 波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005:77－79.

［6］谢文兵，陈晓祥，郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2005:106－107.