综放工作面顺序放煤采动力学分析

郑海波，折 雄

（陕西彬长胡家河矿业公司，陕西 咸阳713602）

0 引言

厚煤层及特厚煤层在我国煤炭资源中占有相当大的一部分比例，而针对厚及特厚煤层目前常采用放顶煤的开采方式，放顶煤具有开采效率高、设备布置简单、人员利用率高以及成本低等优势[1-3]，在放顶煤开采中，由于工艺的不同，存在不同的放煤顺序，如顺序放煤，间隔放煤和两端向中间放煤等，不同的放煤顺序，导致顶煤处于不同的应力状态，而顺序放煤是最常用的放煤方式之一，因此有必要研究顺序放煤时的顶煤受力特征，为综放工作面的安全开采及合理支护提供基本理论依据[4-5]。

1 顺序放煤基本原理

顺序放煤工艺如图1所示：

图1 顺序放煤工艺示意图

顺序放煤工艺即沿着回采工作面依次顺序对上部顶煤放出，放煤顺序依次为1→2→…n→…，顺序放煤过程中，前方煤层的受力分布特征如图2所示：

图2 顺序开采上部煤层受力分布特征

2 不同煤厚下顺序放煤采动力学数值模拟

2.1 模型基本条件

本次数值计算使用的软件是世界著名大型通用有限元分析软件ANSYS，拥有240余种单元，上百种材料本构模型，具有塑性、蠕变、粘弹性等多种非线性求解和多物理场耦合分析功能。其中的ANSYS的单元生死技术，可以很好的模拟整个顶煤开采的采煤和放煤过程；同时，采用的本构模型能够较好地模拟煤岩体等岩石类材料，适合本研究项目的数值计算工作。本次分析采用ANSYS V14.0 64bit版本完成。

选定模拟地点为某矿8212工作面，直接顶：厚度为5.67～17.68m，平均为11.39m，以泥岩为主。老顶：厚度为16.91～34.89m，平均为23.41m，以粗粒砂岩为主。直接底：厚度为0.45～7.90m，平均厚度为3.90m，以高岭岩为主。老底：厚度为1.40～24.59m，平均厚度为11.97m，以含砾粗砂岩为主。

2.2 模拟工况与基本参数

放顶煤开采大致可以分为三个步骤，分别是：

1）计算初始地应力。本次计算，地应力以自重应力为主，没有考虑构造应力的影响，故本研究仅考虑自重应力作为初始地应力；

2）开挖及加支架计算。在初始地应力基础上，计算原始煤岩在工作面推进方向开挖12m后的情况，即在有限元分析中使用单元生死功能杀死被挖去的开挖煤体单元，并同时激活支架单元。

3）不同放煤工序计算。即分别计算顺序、间隔及从两端向中间放煤时，顶煤的应力状态。

根据参数反演的结果，最终选取的计算参数如表1。

表1 岩石物理力学参数

2.3 模型建立与边界条件设置

三维模型以开挖负方向为Z轴；Y轴方向为铅直方向，向上为正；X轴方向平行于放煤方向。结合工作面相关地质资料，本次计算三维模型为：300×300×300m。关心的岩层区域为：50×50×50m，位于模型的中部。本次煤层厚度为11m，煤层的y坐标范围依次为，139～146m、139～150m和139～158m。第二步骤原始煤岩在工作面推进方向开挖12m后，挖掉y坐标范围为139～142m的煤层，激活支架单元进行计算，然后分别进行顺序放煤下的模拟。

3 计算结果分析

图3 11m厚煤岩顺序放煤有限元模型

通过建立数值模拟模型对11m厚煤层进行顺序放煤的采动力学分析，建立的有限元模型如图3所示。

放第2块煤：

图4 11m煤层顶煤应力分布曲线(放第2块煤)

从11m厚煤层第2次顺序放煤中，顶煤不同高度应力分布曲线及应力云图可以看到，11m厚煤层顶煤下部（Y=142m）处，第3块煤岩的竖向应力最大，为19.7MPa，第25块煤岩应力最小，为18.3MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为18.5MPa；中部(Y=146m)处，中间煤块的竖向应力最大，为12.7MPa，第3块煤岩应力最小，为11.8MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为12.5MPa；上部（Y=150m）处，煤岩的竖向应力分布较为均一，且中间煤岩的竖向应力较大，为17.9MPa，第25块煤岩应力最小，为15.8MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为17.5MPa。

放第8块煤：

图5 11m煤层顶煤应力分布曲线(放第8块煤)

从顶煤不同高度应力分布曲线及应力云图可以看到，11m厚煤层顶煤下部(Y=142m)处，第9块煤岩的竖向应力最大，为21.0MPa，第25块煤岩应力最小，为18.3MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为18.5MPa；中部（Y=146m）处，中间煤块的竖向应力最大，为13.0MPa，第9块煤岩应力最小，为11.9MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为12.5MPa；上部(Y=150m)处，煤岩的竖向应力分布较为均一，且中间煤岩的竖向应力较大，为17.9MPa，第25块煤岩应力最小，为15.8MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为18.0MPa。

放第14块煤：

图6 11m煤层顶煤应力分布曲线(放第14块煤)

从顶煤不同高度应力分布曲线及应力云图可以看到，11m厚煤层顶煤下部（Y=142m）处，第15块煤岩的竖向应力最大，为21.0MPa，第25块煤岩应力最小，为18.3MPa，下部煤岩的平均竖向约为18.5MPa；中部（Y=146m）处，中间煤块的竖向应力最大，为13.0MPa，第15块煤岩应力最小，为11.9MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为12.5MPa；上部（Y=150m）处，煤岩的竖向应力分布较为均一，且中间煤岩的竖向应力较大，为18.0MPa，第25块煤岩应力最小，为15.8MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为18.0MPa。

放第18块煤：

图7 11m煤层顶煤应力分布曲线(放第18块煤)

从顶煤不同高度应力分布曲线及应力云图可以看到，11m厚煤层顶煤下部（Y=142m）处，第19块煤岩的竖向应力最大，为21.0MPa，第25块煤岩应力最小，为18.3MPa，下部煤岩的平均竖向约为18.5MPa；中部（Y=146m）处，中间煤块的竖向应力最大，为13.0MPa，第19块煤岩应力最小，为11.9MPa，中部煤岩的平均竖向应力约为12.5MPa；上部（Y=150m）处，煤岩的竖向应力分布较为均一，且中间煤岩的竖向应力较大，为17.9MPa，第25块煤岩应力最小，为15.8MPa，上部煤岩的平均竖向应力约为18.0MPa。

4 结论

1）对于11m厚煤岩顺序放煤，顶煤下部的竖向应力值均大于煤岩上部和中部的竖向应力。在放第2、8、14及18块煤时，顶煤下部和上部的最大应力均出现在临空煤块（分别为第3、9、15及19块煤岩）上，顶煤中部应力分布较为均一，为顶煤高度方向应力最小的部位。

2）从11m厚煤层顺序放煤时顶煤应力云图及应力状态分布曲线可以看到，顶煤下部是煤岩应力增幅最大的部位。