特厚煤层综放面煤壁坍塌影响数值模拟分析

邱玉铭

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司， 山西 晋中 032600）

文中采用ANSYS软件建立综放面回采的三维力学计算模型，然后导入更适用于岩土及采矿工程的FLAC 3D软件中，分析在停采线煤柱（分别为170 m、150m、120m）、不放煤距离（分别为80m、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

某煤矿主采石炭二叠3号、5号合并煤层，平均19.4 m。一盘区8105工作面（如图1所示）东部与西部分别与8104、8106工作面相邻；西部和南部是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；煤层上方为麻地湾煤矿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。

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×高为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

图1 8105工作面示意图

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2500 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 考虑煤壁坍塌影响数值模拟

在停采线煤柱最小侧宽度为150 m时，研究不放煤距离分别为80 m、50 m、20 m和0 m时煤壁处坍塌对煤柱及巷道应力及变形的影响，模拟时将机采面煤壁顶部以45°角向斜上方、垂直高度为20 m的范围假定为坍塌范围，模拟计算后8105工作面煤层底板切面的应力云如图2所示。

从图2中可以看出，考虑煤壁坍塌时，不同不放煤距离的应力峰值和影响范围都逐渐增大。在图2-1、2-2、2-3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2-4所示。

图2 考虑煤壁坍塌时不同不放煤距离应力云图

煤壁坍塌时不放顶煤距离分别为80 m、50 m、20 m和0 m四种情况下，工作面回采对煤柱内部及巷道围岩应力与变形影响程度的对比曲线图。

1）考虑煤壁坍塌，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15.20 MPa、15.34 MPa、15.53 MPa、16.71 MPa，应力集中系数分别为 1.20、1.22、1.23、1.26；左帮的应力峰值分别为 14.40 MPa、14.76 MPa、15.07 MPa、15.4 MPa，应力集中系数分别为 1.16、1.18、1.20、1.23；右帮的应力峰值分别为 14.20 MPa、14.71 MPa、15.23 MPa、15.93 MPa，应力集中系数分别为 1.13、1.17、1.20、1.27。可以看出，考虑坍塌时，随着不放煤距离的减少，停采线煤柱内部及中部回风巷两帮的应力峰值逐渐增大，其中从20 m减少到0 m时，增加程度相对较大；同样的不放煤距离情况下，相比不考虑坍塌而言，围岩应力都有较小程度的增大。

2）考虑煤壁坍塌，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136 mm、159 mm、178 mm、199 mm；两帮移近量最大值分别为 24 mm、27 mm、29 mm、33 mm。可知，在考虑坍塌时，随着不放煤距离的减少，巷道顶底板及两帮移近量都逐渐增大，其中从20 m减少到0 m时，巷道两帮移近量增幅较大；在同样的不放煤距离情况下，相比不考虑坍塌时而言，巷道变形都较小范围的增大。

3）考虑煤壁坍塌，不放煤距离为80 m、50 m、20m、0m时，大巷左帮的应力峰值分别为14.06 MPa、14.1l MPa、14.17 MPa、14.26 MPa，应力集中系数分别为 1.125、1.129、1.134、1.141；右帮的应力峰值分别为 12.8 MPa、12.9 MPa、13.08 MPa、13.25 MPa，应力集中系数分别为 1.02、1.03、1.04、1.06；考虑坍塌时，随着不放煤距离的减少，1070巷道两帮的应力峰值逐渐增大，其中从20 m减少到0 m时，增加程度相对较大；在相同的不放煤距离情况下，考虑煤壁坍塌与不考虑时相比，应力及应力集中系数都有所增大，但增加程度较小。

4）考虑煤壁坍塌，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4.3 mm、6.2 mm、8.1 mm、10.3 mm；两帮移近量最大值分别为 5.21 mm、5.6 mm、6.3 mm、7.3 mm；考虑坍塌时，随着不放煤距离的减少，巷道顶底板及两帮位移都逐渐增大，其中从20 m减少到0 m时，增加程度相对较大；在同样不放煤距离情况下，考虑煤壁坍塌与不考虑时相比，巷道变形都有所增大，但增加程度较小。

4 结论

由于大采高工作面采高比较大，矿压显现强烈，所以在特厚煤层综放面生产过程中，常发生大面积片帮的情况，严重威胁工作面生产安全，文中以某矿8105工作面为研究对象，采用数值模拟的研究手段，制定了放顶煤与不放顶煤情况下的煤壁坍塌模型，对工作面煤壁坍塌进行了分析。在进行特厚煤层综放工作面考虑煤壁坍塌与不考虑坍塌时相比，在同样不放煤距离的情况下，煤柱内部应力及巷道围岩变形都有所增加。因此，设计停采煤柱时，应考虑煤壁坍塌的影响。

论文研究得出的特厚煤层综放开采条件下，停采线煤柱应力分布规律及临近巷道围岩裂隙发育规律的研究成果，对类似开采条件的特厚煤层综放工作面，留设合理的停采线煤柱及合理的不放煤距离，有一定的指导意义。