综放工作面两端向中间放煤采动力学分析

张存杰

（长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

放顶煤是厚煤层高产高效开采的最有效方式之一[1-2]。放顶煤开采主要采取沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采煤工作面，利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出。放顶煤开采时，不同的放煤顺序会引起煤岩层不同范围移动，在采动和煤体瓦斯压力耦合影响下，上覆岩层中采动裂隙场与原生裂隙场叠加，其时空演化规律极其复杂[3-5]。本文主要研究了两端向中间放煤工序下的采动力学，对于研究该放煤工序下的安全开采具有重要意义。

1 工程概况

山煤集团长治经坊煤业3-802 工作面北侧邻近3-803 工作面（已采），南侧邻近矿界保安煤柱和华昇荣煤矿采空区，西侧邻近陶清河河道，东侧与八采区轨道、回风巷相连通。3-802 工作面主采3#煤，工作面底板标高+490m～+570m，煤层厚度5.9～6.3m，平均厚度6.2m，煤层倾角2°～8°，平均倾角5°，采煤方法为走向长壁后退式综合机械化放顶煤。工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 工作面煤层顶底板情况表

2 两端向中间放煤力学机理分析

两端向中间放煤的放煤顺序示意图如图1 所示。两端向中间放煤工艺即沿着回采工作面从两端向中间将上部顶煤放出，如图1 所示的两端向中间放煤顺序依次为n →m →n+1 →m+1 →……，最后放中间煤块M。在两端向中间采煤过程中，中间残留煤层的应力集中系数同样按King 假设计算，结合顺序及间隔放煤的应力集中系数，两端向中间放煤过程中前方煤层的受力分布特征如图2 所示。

图1 两端向中间放煤工艺示意图

图2 两端向中间放煤上部煤层受力分布特征

煤柱所受荷载可按剪切线所包围的上覆岩层的重量进行计算，对于放煤宽度 的情况下，此时M号煤层所受载荷P 为：

式中：

P-放煤后煤层所受上覆岩层荷载，kN；

θ-上覆岩层平均剪切角，°；

H-开采深度，m；

γ-上覆岩层加权重度，kN/m3；

B0-放煤宽度，m；

BP-煤柱宽度，m。

则有，两端向中间放煤工序下的应力集中系数 ：

式中：

K '-两端向中间放煤工序下的应力集中系数。

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立

为研究3-802 工作面综放工作面两端向中间放煤在不同放煤次数时的顶煤应力分布规律，为综放工作面采用该放煤方式时提供基本的理论依据，保证综放工作面安全顺利开采，在有限元软件ANSYS 中建立了有限元模型来对不同工况进行分析。主要分析了在煤层厚度分别为6m条件下第2次、第8 次、第14 次和第18 次放煤时的顶煤应力分布特征，以得出其内部规律。

3.2 煤层6m 时两端向中间放煤采动力学分析

3.2.1 第2 次放煤

从图3 可以看到，6m 厚煤层顶煤下部（Y=142m处），第13 块煤岩的竖向应力最大，为20.1MPa，第2 块煤岩应力最小，为18.9MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为19.6MPa；中部（Y=144m 处），第2 块煤岩的竖向应力最大，为22.7MPa，第3 块煤岩应力最小，为20.3MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为21.5MPa；上部（Y=146m 处），第2 块煤岩的竖向应力最大，为20.1MPa，第4 块煤岩应力最小，为18.9MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为19.6MPa。

图3 煤层厚度6m 两端向中间放煤顶煤应力分布曲线（第2 次放煤）

3.2.2 第8 次放煤

从图4 可以看到，6m 厚煤层顶煤下部（Y=142m处），第13 块煤岩的竖向应力最大，为20.1MPa，第6 块煤岩应力最小，为20.0MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为20.1MPa；中部（Y=144m 处），第2 块煤岩的竖向应力最大，为24.9MPa，第7 块煤岩应力最小，为22.6MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为23.0MPa；上部（Y=146m 处），第13 块煤岩的竖向应力最大，为21.5MPa，第7 块煤岩应力最小，为20.1MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为20.8MPa。

图4 煤层厚度6m 两端向中间放煤顶煤应力分布曲线（第8 次放煤）

3.2.3 第14 次放煤

从图5 可以看到，6m 厚煤层顶煤下部（Y=142m处），第8 块煤岩的竖向应力最大，为22.4MPa，第13 块煤岩应力最小，为20.0MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为20.8MPa；中部（Y=144m 处），第8 块煤岩的竖向应力最大，为25.2MPa，第13 块煤岩应力最小，为23.8MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为24.5MPa；上部（Y=146m 处），第13 块煤岩的竖向应力最大，为20.4MPa，第17 块煤岩应力最小，为20.0MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为20.2MPa。

3.2.4 第18 次放煤

从图6 可以看出，6m 厚煤层顶煤下部（Y=142m处），第10 块煤岩的竖向应力最大，为20.6MPa，第11 块煤岩应力最小，为20.4MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为20.5MPa；中部（Y=144m 处），第10 块煤岩的竖向应力最大，为25.6MPa，第13块煤岩应力最小，为23.3MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为24.0MPa；上部（Y=146m 处），第13块煤岩的竖向应力最大，为20.6MPa，第11 块煤岩应力最小，为20.0MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为20.3MPa。

图5 煤层厚度6m 两端向中间放煤顶煤应力分布曲线（第14 次放煤）

可以看到，6m 煤层在两端向中间放煤过程中，顶煤两侧煤块中部的应力仍为最大应力处，从两端向中间放煤的过程中，顶煤的峰值应力一直在向中间移动，且整个顶煤处于较高的应力状态，两端放掉的煤块越多，中间煤块应力越大。因此，可以推测在整个放煤过程中，最后一块煤的应力最大，得到竖向最大应力约为30.0MPa，约为初始应力σ0的2.5 倍。因此在从两端向中间放煤过程中，应特别注意加强对工作面中部的支护，保证作业安全。

图6 煤层厚度6m 两端向中间放煤顶煤应力分布曲线（第18 次放煤）

4 结论

（1）以山煤集团长治经坊煤业3-802 工作面为工程背景，提出了综放工作面两端向中间放煤的基本力学模型，分析了两端向中间放煤上部煤层受力分布特征以及放煤煤柱受力荷载。

（2）在有限元软件ANSYS 中建立了有限元模型，分析了6m 煤厚下不同放煤次数的顶煤受力特征。结果表明，在两端向中间放煤过程中，顶煤两侧煤块中部的应力为最大应力处，从两端向中间放煤的过程中，顶煤的峰值应力一直在向中间移动，且整个顶煤处于较高的应力状态，两端放掉的煤块越多，中间煤块应力越大。