急倾斜煤层顶板运动规律数值模拟

李涵，宓剑，蔡立柱，陈静

1沈阳欧施盾新材料科技有限公司；2北京黎明航发动力科技有限公司沈阳黎明燃机分公司

急倾斜煤层顶板运动规律数值模拟

李涵1，宓剑2，蔡立柱1，陈静1

1沈阳欧施盾新材料科技有限公司；2北京黎明航发动力科技有限公司沈阳黎明燃机分公司

为得出急倾斜煤层顶板运动规律，针对长沟峪煤矿急倾斜煤层，应用ANSYS有限元软件进行开采数值模拟，得出-220～-300m急倾斜煤层开采后：(1)-220m煤层壁为压缩状态，煤层应力超过其单向压缩强度，煤层壁会一直垮落下去，一直向上延伸。(2)-220m煤层壁开采后，煤层壁就会垮落，当跨落到B区域，对-130m石门影响很小。当跨落到C区域，对-130m石门就有很大影响，这就导致很难对石门采取措维护施。急倾斜煤柱开采模拟对对开采具有一定的指导意义。

急倾斜煤层；数值模拟；有限元模型

1 引言

急倾斜煤层问题一直是煤炭开采的难题，急倾斜煤层顶板运动规律复杂，对急倾斜煤层开采构成严重影响。本文以长沟峪煤矿-220~-300m水平急倾斜煤层开采为工程背景[1-4]，采用数值模拟的方法，建立数值模拟计算模型，选用ANSYS[5]软件进行数值分析，对煤层开采过程进行模拟分析，得出了开采急倾斜煤层条件下顶板变形破坏规律[6]，为急倾斜煤层开采提供了必要的理论依据。

2 顶板运动规律的数值模拟

2.1 计算参数的选取

煤层厚度：0.3~3.6m，平均煤层厚度3.0m，煤层倾角：43°~65°，平均倾角55°。

2.2 模拟试验说明

（1）模型尺寸：横向189m，纵向200m，上覆岩层压力为14.5MPa。煤层开挖位置图如图1所示。

（2）对模型左右边界加载X方向约束，下边

界加载固定端约束，上边界加载均布载荷，载荷大小为上覆岩层重量，并将整个模型体的自重考虑在内。

（3）开挖过程：先开采A区域，在此基础上观察煤柱跨落到B区域、C区域对-130m石门的影响。

3 结果分析

建立有限元数值模型，模拟开采A（-300米～-220米之间）区域后，煤层垮落到B（-220米）区域、C（-220米以上）区域对-130m水平石门的影响。

-220~-300m急倾斜煤层开采后，-220m煤层壁为压缩状态，煤层壁会一直垮落下去，一直向上延伸。煤层开采后对-130m石门影响很小，可以保持现状。

图1、图2为煤层垮落到B、C区域应力图。

从图1、图2可以看出：-220~-300m水平煤层开采后，-220m煤层壁为单向压缩状态，当其应力超过煤的单向抗压强度，煤层就会垮落。

1）当跨落到B区域，对-130m石门影响很小。

2）当跨落到C区域，对-130m石门有很大影响，这就导致很难对石门采取措维护施

4 结论

本文采用ANSYS数值模拟软件对急倾斜煤层开采行数值仿真，得出了如下结论：

(1)急倾斜煤层开采，对于不同的煤层，上部顶底板的破坏范围大于下部顶底板的破坏范围。

(2)采空区顶底板存在一定的应力降低区。应力在顶板方向趋向于开采区的上山方向，在底板方向趋向于开采区的下山方向。开采区下山方向顶板竖直应力较高，有利于顶板岩层的正常垮落。

(3)当垮落到C区域时，对对-130m石门有很大影响，所以开采时要注意该区域的处理措施。

[1]王永秀,齐庆新.煤柱应力分布规律的数值模拟分析[J].煤炭科学技术,2004,3(10):59-62.

[2]邰英楼,王来贵,张明海.顶、底板受拉应力型冲击地压机理及数学模型[J].辽宁工程技术大学学报,2002,6(5):42-47.

[3]关杰,孙可明,朱月明.急倾斜煤层开采解放层防治冲击地压数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2002,21(4):25-29.

[4]潘一山,徐秉业.冲击地压定量预测的研究[J].煤矿开采, 1998,9(3):35-38.

[5]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2000.

[6]李忠华,潘一山.钻屑法孔壁破坍失稳现象研究