某矿1301综采工作面应力数值模拟分析

柴俊虎 马 伟

(1.霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司；2.尤洛卡精准信息工程股份有限公司)

某煤矿井田内断裂构造及陷落柱发育，井田构造复杂程度为中等。1301综采工作面是井田11#煤层13采区的第一个工作面，是主要的接替工作面。经探查，该工作面多断层，地质条件复杂，此外，工作面上部(垂直距离约9.9 m)包含有10#煤层的残留煤柱，工作面回采时有可能会受到上部残留煤柱(宽20 m)的影响，因而，有必要在该工作面开采前对其应力特点进行分析研究，一方面，可以验证上覆残留煤柱是否对工作面的回采造成影响，以及残留煤柱区域的应力特点；另一方面，可以了解断层区域的应力特点，在工作面回采以及后期巷道维护时提供可靠的依据；再者，研究超前支承应力有利于工作面回采时超前支护。分析结果对工作面的安全高效回采具有重要的指导作用。

1 工作面概况

1301工作面地面标高为+630～+730 m，井下标高为+442～+512 m。煤层整体为缓倾斜单斜构造。工作面运输顺槽走向长644 m，回风顺槽走向长678 m，倾斜长132 m。煤层倾角为1°～9°，平均倾角为5°，煤层厚1.57～1.77 m，平均厚1.68 m,煤种牌号为肥煤。工作面直接顶为泥岩或砂质泥岩，平均厚2.90 m，基本顶为粉砂岩，平均厚3.35 m，直接底为石英砂岩，平均厚2.30 m，基本底为石灰岩，平均厚2.28 m。煤层顶底板特征见表1。

柴俊虎(1972—)，男，工程师，031400 山西省霍州市。

表1 煤层顶底板特征

工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化采煤法采煤，一次采全高，沿顶底板推进，全部垮落法管理顶板。工作面计划选用MG150/345-WDK型双滚筒采煤机落煤、装煤，采用SGZ-630/400型刮板输送机(双机)、SZB-730/75C桥式转载机、SSJ-1000型胶带输送机联合运煤，ZY3300-11/26型双掩护式液压支架支护顶板。

地表对应位置为尚家沟村南西侧的山谷与山顶，为农用耕地与山坡荒地，其余方位无其它建筑物。由于采高较小，裂隙带影响范围小，根据调查分析，工作面回采期间裂隙带不会沟通地表，仅会产生局部微小裂隙，对地表基本无影响。工作面东南侧为三采区正在推进的304综采工作面，西侧为一条6 m的正断层，西南侧为原三采区皮带巷与原三采区回风巷，东北侧为十三采区专用回风巷、皮带巷与辅助运输巷，工作面上部为三采区10#煤层306、308采空区。1301工作面位置情况见图1。

图1 1301工作面位置示意

2 模型的建立

依据经验，工作面开采后，对上覆岩层垂直方向的影响距离约6～8倍采高[1-2]，因此，所建模型尺寸为183 m×42 m(宽×高)，岩体的垂直应力σzz=13 MPa,水平应力σxx=σyy=0.51σzz。模型的边界约束条件为左右边界只约束x方向的位移，前后边界只约束y方向的位移，即对模型左右、前后边界进行单约束；下部边界为全约束；上部边界不约束，FLAC3D将单元之间的不平衡力重新加到各节点上，为自由边界。采用六面体单元，共划分62 050个单元。计算时，模型的本构模型选用莫尔-库仑塑性模型，巷道围岩物理力学参数见表2。

表2 巷道围岩物理力学参数

由于FLAC3D前处理能力较弱[3-5]，因而本模型在建立过程中，先使用ANSYS软件建立模型，然后再利用ANSYS-FLAC3D转化程序，将模型导入FLAC3D中。数值模型见图2。由于FLAC3D模拟软件在求解微分方程时采用显示差分法，因而对工作面采空区进行了相似模拟处理[6]。另外，为更加直观地展现数值模拟情况，将FLAC3D的数值模拟结果导入到Tecplot软件，生成相应的数值等高线图。

图2 FLAC3D计算模型

3 数值模拟结果及分析

3.1 上覆残留煤柱区域应力情况分析

图3为1301工作面未开采时上覆残留煤柱区域初始应力分布。由图3(a)可知，上覆残留煤柱处产生了较大的应力集中，最大值为22 MPa，残留煤柱对1301工作面影响长度约40 m，其中，最大值出现在残留煤柱左侧正下方的1301工作面区域，应力达到17 MPa，略大于煤柱右侧下方的工作面区域(15 MPa)，该种情况有可能受煤层倾角的影响，此外，受上覆采空区影响，1301工作面两侧出现大小不同的卸压区域。由图3(b)可知，工作面区域最大水平应力为8 MPa，因而，在该区域进行工作面回采时，应加大支护力度，预防垂直应力所造成的工作面事故。

3.2 断层区域应力情况分析

图4为1301工作面未开采时断层区域初始应力分布。由图4(a)可知，受上覆采空区影响，断层区域的1301工作面垂直方向应力有一定的卸压效果，垂直应力约12 MPa，略低于工作面平均值(约13 MPa)；另外，在采空区右侧的断层处出现了垂直应力集中的现象，说明该区域断层有活化风险，应力若持续增加，该处断层有可能突然下滑，导致冲击；如果1301工作面进行回采，在工作面靠近断层侧，也会造成应力集中，此时为预防断层突然下滑，应加大该区域巷道的支护强度，提高工作面支架的支撑强度。由图4(b)可知，工作面区域水平应力为6～8 MPa，低于工作面垂直方向的应力，因而，该区域也是主要受垂直方向应力的影响；另外，在采空区右侧的断层处同样出现了水平应力集中的现象，因而，为预防断层突然下滑，在1301工作面回采期间，应加大该区域巷道的支护强度，提高工作面支架的支撑强度。

图3 1301工作面未开采时上覆残留煤柱区域初始应力分布(单位：MPa)

图4 1301工作面未开采时断层区域初始应力分布(单位:MPa)

3.3 工作面超前支承应力情况分析

图5为残留煤柱下1301综采工作面超前支承应力情况。可知，超前支承压力影响区域约25 m，其中，最大超前支承压力在工作面超前距离约7 m，最大值为20 MPa，工作面顶板压力约15 MPa，从模拟结果以及动载系数的统计规律(最大不超过2)看，工作面回采所采用的ZY3300-11/26型双掩护式液压支架(最大支护强度42 MPa)完全可以满足工作面的支护要求。

4 结 论

(1)考虑到FLAC3D在求解微分方程时采用显示差分法，建模时对工作面采空区进行了相似模拟处理，数值分析的结果更符合现场实际情况，为1301综采工作面的安全回采提供更为可靠的应力依据。

(2)工作面开采前煤柱下方区域主要受垂直应力，最大值出现在残留煤柱左侧正下方1301工作面区域，应力达到17 MPa，在该区域进行工作面回采时，应加大支护力度，预防垂直应力所造成的工作面事故。

图5 残留煤柱下1301综采工作面

(3)工作面开采前断层附近的工作面区域主要受垂直应力，最大值约12 MPa；1301综采工作面回采时，在工作面右侧靠近断层处预计会产生垂直应力与水平应力双集中，为预防断层突然下滑，应加大该区域巷道的支护强度，提高工作面支架的支撑强度。

(4)工作面回采后，1301综采工作面超前支承压力影响范围约25 m，最大超前支承压力在工作面超前距离约7 m；工作面顶板压力约15 MPa；ZY3300-11/26型双掩护式液压支架可以满足工作面的支护要求。

(5)利用FLAC3D数值分析软件，对1301综采工作面在回采时面临的残留煤柱、断层等应力情况进行模拟，及时掌握了工作面的应力特点，给出了相对应的预防及处理措施，实现工作面的合理控制以及巷道的有效支护。

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