片帮冒顶区顶板稳定性数值模拟研究

万磊

摘 要：本文以新集二矿211112工作面地质条件为背景，运用FLAC 3D数值模拟方法，分析研究大倾角松软煤层大面积空顶区顶板和煤壁稳定性。研究表明：在片帮深度达到6 m后，应力释放降低幅度减小，应力释放最大区域扩大，顶板冒顶发生的可能性较大;随着片帮深度增加，在空顶区上部应力释放区域逐渐扩展的同时，剪切应力释放向上方岩层发展，顶板稳定性随之降低;超前支承压力峰值先增加后减小，存在片帮现象时超前支承压力峰值位置向深部转移，在超前支承压力峰值点后，垂直应力值随着片帮深度的增加而增大，增幅逐渐下降;随着空顶区的形成，工作面超前支承压力重新分布，在空顶区前方煤壁中重新形成应力集中，继续产生片帮的危险性稍有降低。通过数值模拟的分析研究，为现场实际对工作面片帮冒顶原因和处理方法提供理论依据。

关键词：FLAC 3D;大倾角煤层;数值模拟;顶板

中图分类号：TD353     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0061-04

Abstract： Based on the geological conditions of 211112 working face in Xinji No.2 coal Mine， FLAC 3D numerical simulation method is used to analyze and study the stability of roof and coal wall of large area empty roof area in large inclined soft coal seam. The results show that when the spalling depth reaches 6 m， the reduction range of stress release decreases. The maximum area of stress release expands， and the roof fall is more likely to occur. With the increase of spalling depth， the stress release area in the upper part of the empty roof area gradually expands， meanwhile the shear stress release develops to the upper strata， and the roof stability decreases. The peak point of the leading abutment pressure increases first and then decreases. When there is spalling phenomenon， the peak position of the leading abutment pressure shifts to the deep. After the peak point of the leading abutment pressure， the vertical stress increases with the increase of the spalling depth， and the increase rate decreases gradually. With the formation of the empty roof area， the advance abutment pressure of the working face is redistributed. The stress concentration is reformed in the coal wall in front of the empty roof area， and the risk of continuous spalling is slightly reduced. Through the analysis and research of numerical simulation， it provides a theoretical basis for the cause and treatment of spalling roof fall in working face.

Keywords： FLAC 3D; high angle coal seam; numerical simulation; roof

近年來，随着我国矿井开采强度的不断加大，为了保证矿井开采的可持续性，一些赋存条件相对复杂的大倾角或急倾斜煤层的开采也正在被考虑[1-4]。我国西部地区大量赋存煤层的倾角都在35°以上，随着开采强度和深度的不断增大，大倾角煤层已经成为许多矿井的主采煤层。然而在实际生产中，由于各矿井大倾角煤层的赋存条件差异性大，存在倾角大、围岩运动复杂、支架设备稳定性差、煤壁稳定控制困难、底板滑移机理不明确、工作面安撤时间长、工作面安全防护差等困难，实际开采中仍面临许多技术问题[5-10]。本文以中煤新集能源集团新集二矿211112大倾角复合顶板松软煤层工作面为研究对象，采用FLAC 3D数值模拟软件模拟分析片帮冒顶深度不同情况下的空顶区围岩应力特征，确定空顶区前方煤壁超前支承压力的变化和分布情况，分析空顶区顶板及四周煤壁的稳定性，为现场实际对工作面片帮冒顶原因和处理方法提供理论依据。

1 数值模型建立

以新集二矿211112大倾角复合顶板松软煤层工作面实际地质构造和煤层赋存情况为工程背景，建立三维数值模型。设定X轴方向为工作面走向方向，长度为300 m，设定Y轴方向为工作面倾向方向，其长度为200 m，设定Z轴为垂直方向，其高度为208 m。煤层倾角取平均倾角35°。计算模型如图1所示。

为了减少数值模拟计算中边界效应带来的影响，在距离X轴60～86 m和距离Y轴2 m、4 m、6 m和8 m的范围内赋予null命令来模拟片帮冒顶区域。模型按照煤层实际赋存及岩性分为11层，四周为位移边界条件，上部为自由边界条件，于顶部施加大小为12.5 MPa的垂直应力。模型共划分183 600个三维单元格，196 265个节点。

根据211112工作面地质条件和工作面实际概况，计算模型采用弹塑性模型，选用莫尔-库伦准则，由相关试验所得的主要煤岩层的具体力学参数如表1所示。

2 大面积空顶区顶板稳定性分析

大倾角工作面沿倾斜方向的应力分布具有非对称性，表现出明显的分区特征，大采高工作面由于自由面范围大，在工作面中上部易发生片帮现象。失去煤壁支撑的直接顶受煤壁片帮的连带作用而冒落，进一步引起煤层片帮，空顶区顶板悬露面积随之增大，应力释放区域增加，未释放区域应力集中增大，顶板稳定性下降。为探究片帮深度的影响，对不同煤壁片帮深度下空顶区顶板稳定性进行数值分析。

由图2和图3空顶区顶板垂直应力和顶板剪切应力分布，可以得出大倾角工作面大面积片帮冒顶空顶区顶板应力分布具有以下特征。

①沿煤层倾斜方向空顶区顶板垂直应力分布表现出明显的非对称性。在空顶区出现非常明显的垂直应力降低区。

②随着片帮深度的增加，空顶区顶板应力释放区域增大，顶板稳定性下降。在片帮深度达到6 m后，应力释放降低幅度减小，应力释放最大区域扩大，说明片帮深度达到6 m以上空顶区顶板应力释放非常充分，冒顶发生的可能性较大。

③随着片帮深度的增加，空顶区边缘煤壁侧顶板具有沿煤壁切落的危险。图3中煤壁侧顶板剪切应力最大达到10.7 MPa，说明随着片帮深度的增加，在空顶区上部应力释放区域逐渐扩展的同时，剪切应力释放向上方岩层发展，顶板稳定性随之降低。

3 空顶区前方煤壁稳定性分析

工作面片帮冒顶形成空顶区是一个逐渐发展的过程，根据悬臂梁假说，距工作面支架越遠，煤壁中的支承压力呈现先增加后减小的变化趋势，当空顶区扩展至一定距离，在空顶区周围煤壁的支承下重新达到稳定状态。通过数值模拟分析不同片帮深度时前方煤壁中垂直应力的分布规律，分析空顶区稳定后前方煤壁的稳定性。

由图4空顶区前方煤壁垂直应力分布可以看出，存在片帮现象时，超前支承压力峰值位置向深部转移，在煤壁内10 m处。超前支承压力峰值呈先增加后减小的规律，超前支承压力峰值最大发生在片帮4 m深时。在超前支承压力峰值点后，片帮后的垂直应力值均大于未片帮的情况，并随着片帮深度的增加而增大，但增幅逐渐下降。

空顶区中下部煤壁稳定性随片帮深度的增加而下降，但是下降程度较空顶区上部小，当煤壁片帮达到4 m后，煤壁逐渐趋于稳定。未片帮时工作面前方煤壁中形成的超前支承应力集中系数大于空顶区前方煤壁中的应力集中系数，说明随着空顶区的形成，工作面超前支承压力重新分布，在空顶区前方煤壁中重新形成应力集中。与片帮前相比，应力值随着片帮深度的增加而下降，继续产生片帮的危险性稍有降低。

4 结语

①在片帮深度达到6 m后，应力释放降低幅度减小，应力释放最大区域扩大，在片帮深度达到6 m以上时，空顶区顶板应力释放非常充分，冒顶发生的可能性较大。

②随着片帮深度的增加，在空顶区上部应力释放区域逐渐扩展的同时，剪切应力释放向上方岩层发展，顶板稳定性随之降低。

③超前支承压力峰值呈先增加后减小的规律，存在片帮现象时，超前支承压力峰值位置向深部转移。在超前支承压力峰值点后，垂直应力值随着片帮深度的增加而增大，增幅逐渐下降。

④随着空顶区的形成，工作面超前支承压力重新分布，在空顶区前方煤壁中重新形成应力集中。与片帮前相比，垂直应力值随着片帮深度的增加而下降，继续产生片帮的危险性稍有降低。

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