综采放顶煤开采数值模拟研究

摘要：通过数值模型的模拟研究，计算得出了新登煤矿31011工作面推进过程中顶板跨落步距，以及工作面支撑压力分布规律，为设计工作面参数提供了技术依据。

关键词：综采放顶煤；数值模型；跨落；支承压力

图1  31011综放工作面综合柱状图

为了进一步研究综采放顶煤开采时顶煤和上覆岩层的应力和位移场及其变化规律，本次数值研究在相似材料模拟研究的基础上，针对新登煤矿31011工作面煤层及顶底板条件和开采状况，主要解决以下两个问题：

（1）三软煤层条件下放顶煤开采时上覆岩层的破坏规律；

（2）矿山压力对顶煤破坏和冒落的影响。

1 建模原型

模拟原形为新登矿二1煤31011工作面，煤层厚度最大为11.0‍m，最小为4.3 m，平均为6.0 m，煤层倾角为9～12‍°，煤层结构简单，直接顶灰黑色泥岩，厚68 m左右，节理裂隙发育，节理裂隙组数为两组，单向抗压强度为102Mpa，老顶为粗砂岩，分层厚度为3 m左右，单向抗压强度326.4～465.9Mpa，底板为炭质泥岩，厚12.82 m，煤层埋藏深度为133～323m，平均为248 m，综合柱状如图1所示。

2 数值模型及参数设计

根据本研究问题的需要，有限元模型选用平面应变模型，计算部位取自工作面中部，垂直于工作面方向，模拟高度到二1煤的顶板岩层上部55m处，共计64.28m，根据相似材料模拟的结果，模拟长度，即沿工作面走向方向150m；选用ADINA有限元程序进行计算，按Druker—prager来判断岩石的弹塑性状态，模拟计算具备以下三个特点：（1）计算中应体现出煤的采出，直接顶的垮落及采空区的充填及过程；（2）上覆岩层应具备拉断计算功能，当单元积分点最大应力超过其抗拉强度时，程序自动执行拉断计算，并将单元积分点的应力降为零；（3）用改变弹性模量的方法，来改变不同变形区的煤体的属性，其中，顶煤在散体区内的弹性模量最小，塑性区内的弹性模量次之，弹性区内的弹性模量最大，其数值为实体煤的弹性模量。

选取的计算模型沿走向长180 m，沿垂直方向73.54 m，其中，顶板高度64.28 m，底板高度9.26 m，如图2所示

3 计算结果及分析

3.1 初采阶段

当工作面开始回采后，由于周围边界的约束作用，当开挖到第3步（工作面向前推进9 m）时，顶煤开始垮落，垮落长度约6 m，上位顶煤中的应力急剧增加，当开挖到第4步（工作面向前推进至12 m）时，顶煤全部垮落，此后随工作面的推进，顶煤随采随落。

顶煤垮落后，由于直接顶为8 m左右的泥岩，因此，随着工作面的推进，直接顶在第5步开挖时全部垮落，此后随工作面的推进，直接顶随顶煤的垮落而垮落。

直接顶垮落后，老顶中拉应力明显增加，当开挖到第7步（工作面向前推进距开切眼21 m）时，砂岩层初次垮落，垮落角约60°，垮落长约13 m，工作面垂直压力明显增大，而水平压力则有所减小，顶煤破碎明显，煤壁出现较大塑性区，并有局部片帮出现，可以认为这是老顶的初次来压。

随工作面的不断推进，上覆岩层出现周期性的下沉、弯曲和垮落，由于工作面顶煤的放出，采空区自由空间增大，冒落的下位岩层充填采空区的过程中，矸石有向采面反转的现象。上位未脱离岩体的老顶岩层在下沉过程中出现回转现象，在其回转过程中对顶煤具有明显的破碎作用，或者说这一过程是顶煤破碎的主要动力来源之一。

煤层上覆老顶呈现“稳定—失稳—再稳定—再失稳”的周期性过程。（中粒砂岩）断裂步距约为10 m。

计算结果表明，老顶在初次来压和周期来压时，断裂老顶的回转是顶煤的破坏程度明显提高，这一结果已被相似材料模拟及生产实践所证实。

3.2 正常推进阶段

进入正常推进阶段后，煤壁前方塑性区范围至支架上方的顶煤中均产生大小不等的拉应力，而这种拉应力随老顶周期性垮落其大小也呈现周期性的变化，老顶来压前为最大，来压后降至最小，该拉应力对顶煤的破碎和顺利放出起着重要作用。

计算可以看出，老顶断裂位置不在支架上方，而是深入煤体内部约4 m的位置，老顶平均回转角可达到80左右，在这一过程中支架上方的顶煤破碎垮落，能量释放，产生让压从而对工作面支架起到了一定程度的保护作用。其主要原因是在这个过程中顶煤的塑性变形所致。

3.3 顶煤的拉应力及变形特征

顶煤随老顶周期性压力的变化，出现拉断破坏；顶煤的拉应力在工作面前方10 m左右处已开始形成，其后逐渐增大，当超过顶煤的拉应力极限时，顶煤破坏，其后拉应力又逐渐减小，在支架上方的同一纵断面上，顶煤的拉断破坏沿顶煤的高度方向有上位到下位拉应力略有增大，这一结果与顶板的回转下沉过程以及顶煤放出后造成支架上方顶煤下沉量增大有关。该数值计算结果与现场顶煤观测一致。在工作面前方煤壁附近一定范围的区域内也出现拉应力区，拉应力区的形成与煤壁处有自由变形空间有关。顶煤形成的拉应力区对顶煤破碎和放出有利，而煤壁前方形成的拉应力，可造成煤壁片帮，对工作面煤壁维护不利。顶煤拉应力分布曲线如图3所示。

从图4可以看出，开挖过程中，与工作面距离相同，但层位不同的顶煤变形量也不相同。上部顶煤变形量大于下部顶煤的变形量，与工作面距离越近，上、下层位的变形量的差值越大，在加速变形区这一差值明显增加。

图3  顶煤拉应力区分布

图4 工作面前方不同层位顶煤位移量实测曲线

4   结论

通过数值模拟得出以下主要结论，结论能够直观的反映工作面内部岩层运动及应力变化情况，其结果与现场观测结果基本吻合。

（1）工作面顶煤初次全部垮落步距为16 m，直接顶初次垮落步距20 m，其后随工作面推进随采随落，老顶初次垮落步距56 m，周期垮落步距25 m。

（2）老顶初次来压时，支承压力峰值系数为2.45，此后其峰值系数基本稳定在2.0～2.5之间。在支承压力作用下，顶煤中出现塑性区，其塑性区范围一般在15～18 m之间。

（3）层位不同的煤层尽管与工作面距离相同，但所受开采影响却不相同，上部顶煤变形量大于下部顶煤的变形量。

[1] 徐永圻  煤矿开采学  徐州：中国矿业大学出版社，1999

[2] 李化敏等  综放开采支架受力测试与分析  山东科技大学学报，2000

[3] 张顶立  综合机械化放顶煤采场矿山压力控制  北京：煤炭工业出版社，1999