特厚煤层综放面合理不放煤距离模拟分析

鲍永强

（煤炭工业汾西矿区建设工程质量监督站， 山西 介休 032000）

文中采用ANSYS软件建立综放面回采的三维力学计算模型，然后导入更为适用于岩土及采矿工程的FLAC3D软件中，分析在停采线煤柱分别为170 m、150 m、120 m、不放煤距离分别为 80 m、50 m、20 m、0 m及是否考虑煤壁坍塌的情况下，停采线煤柱支承压力分布规律及1070回风大巷、8105工作面中部回风巷的变形及应力变化规律。

1 工程概况

矿井主采石炭二叠3号、5号合并煤层，平均19.4 m。一盘区8105工作面东部与西部分别与8104、8106工作面相邻；西部，南部是1070回风巷、1070辅运巷、1070皮带巷三条主要大巷，留设的口泉铁路保护煤柱位于工作面北部；煤层上方为其他煤矿14号、15号煤层采空区，14号煤层属浅埋煤层，埋深为17.5～109.9 m，14号煤层至15号煤层相隔15.6～18.4 m，15号煤层与3号—5号煤层间隔为314～320 m，根据钻孔柱状图可以得出，8105工作面煤层平均埋深约505 m。

图1 8105工作面示意图

2 模型建立及参数选取

2.1 数值模型的建立

建立计算模型时，模型大小为长×宽×高=700 m×400 m×145 m。从底向上对模型分层定义底部20 m部分为细砂岩层底板、15 m煤层、8 m岩浆岩层顶板、16 m砂质泥岩层、36 m粗砂岩层和上部50 m细砂岩层。

2.2 力学参数选取

材料模型定义为MonCoulomb模型，模型边界条件设置中，除了模型顶部加载，其余五个边界面全部约束，即固定X、Y、Z三个方向的位移。工作面平均埋深505 m，覆岩平均密度取2 500 kg/m3，则需在模型顶部施加9.87 MPa的垂直压应力。模型中各岩层参如表1所示[2-3]。

表1 岩石力学参数

2.3 模拟方案设计

数值模拟中需要分别对不同宽度的停采线煤柱、不同的不放煤距离及是否考虑煤壁坍塌三种情况进行分析，模拟方案如下：

1）根据前述的模拟结果，找出合理的停采线煤柱宽度，在此条件下模拟分析不放煤距离分别为80 m、50 m、20 m、0 m时，支承压力对1070大巷及8105工作面中部回风巷的影响。

2）在合理的停采线煤柱宽度的基础上，研究在不放煤距离为80 m、50 m、20 m和0 m时煤壁坍塌对停采线煤柱及巷道应力及围岩变形的影响。

3 合理不放煤距离模拟

由分析可知，停采线煤柱宽度可减少至150～160 m，在此种情况下，研究不同的不放煤距离对1070大巷及8105中部回风巷的影响，原设计不放煤距离为距停采线80 m，模拟时取不放煤距离分别为80 m、50 m、20 m和0 m进行计算，8105工作面煤层底板切面的应力如图3所示。

从图3中可以看出，随着不放煤距离的减少，应力的影响范围逐渐增大，在图3-1，3-2，3-3中如果以应力集中系数1.12边界为准，随着不放煤距离的减少，应力的影响范围逐渐增大，当不放煤距离为0 m时，应力影响范围明显增大，如图3-4所示。

图3 不同不放煤距离应力云图

8105工作面与1070回风巷在不放煤距离为80 m、50 m、20 m和0 m四种情况下工作面回采对停采线煤柱内部、8105中部回风巷及1070回风巷围岩应力与变形影响程度进行对比。

1）不放煤距离为 80 m、50 m、20 m、0 m 时，停采线煤柱内部应力峰值分别为15.11 MPa、15.26 MPa、15.45 MPa、15.69 MPa，应力集中系数分别为1.21、1.22、1.23、1.26；左帮的应力峰值分别为 14.35 MPa、14.67 MPa、14.93 MPa、15.26 MPa，应力集中系数分别为 1.15、1.17、1.19、1.22；右帮的应力峰值分别为14.09 MPa、14.65 MPa、15.12 MPa、15.83 MPa，应力集中系数分别为 1.13、1.16、1.20、1.25。随着不放煤距离的减少，停采线煤柱内部及中部回风巷的两帮应力峰值及应力集中系数逐渐增大，其中从20 m缩小到0m，支承压力存在一个较大的增幅，但应力峰值与集中系数的最大与最小值相差0.91 MPa和0.12，整体变化范围较小。

2）不放煤距离为 80 m、50 m、20 m、0 m 时，巷道项底板移近量最大值分别为133mm、154mm、173mm、195 mm；两帮移近量最大值分别为23 mm、26 mm、28 mm、32 mm；随着不放煤距离减小，中部回风巷顶底板位移及两帮移近量最大值都增加，特别是20 m减少到0 m时，增加明显。

3）不放煤距离为 80 m、50 m、20 m、0 m 时，左帮的应力峰值分别为 14.01 MPa、14.04 MPa、14.10 MPa、14.18 MPa，应力集中系数分别为 1.12、1.12、1.13、1.14；右帮的应力峰值分别为12.72 MPa、12.81 MPa、12.93 MPa、13.15 MPa，应力集中系数分别为1.01、1.02、1.03、1.04，随着不放煤距离减小，可以看出1070回风巷两帮所受应力有所增加，两帮应力峰值最大与最小值相差0.43 MPa，应力集中系数相差0.03，整体上变化范围不大，但是20 m减少到0 m时，增加幅度变大。

4）不放煤距离为 80 m、50 m、20 m、0 m 时，巷道顶底板移近量最大值分别为4 mm、6 mm、7.6 mm、10 mm；两帮移近量最大值分别为5 mm、5.4 mm、6 mm、6.8 mm；随着不放煤距离减小，1070回风巷顶底板位移及两帮移近量都有所增加，尤其从20 m减少到0 m时，增幅较大。

4 结语

研究得出的特厚煤层综放开采条件下，随着不放煤距离的减少，停采线煤柱、8015工作面中部回风巷及1070回风大巷所受的垂直应力、顶底板移近量、两帮移近量都有所增大，其中20 m减少到0 m时，巷道围岩应力及变形程度较明显，可以将不放煤距离为20 m时作为临界放煤状态，确定合理的不放煤距离为20 m。