文/李广俊

综采工作面矿压规律数值模拟研究在经坊煤矿的应用

文/李广俊

经坊煤矿八采区3803工作面为大采高综采工作面，主采煤层为3#煤层，3#煤层为近水平煤层。平均厚度6.1m，普氏系数f为0.5～0.6，直接顶为炭质泥岩，老顶为细粉砂岩，直接底为细粒砂岩。随着煤矿开采深度的增加，回采巷道围岩变形量大、支护体变形失效多、巷道断面收缩严重等矿压显现强烈，有关深部回采巷道围岩变形破坏机理及支护技术的研究，越来越成为确保工作面安全高效生产的重要课题。为此，经坊煤矿以3803工作面地质条件为背景，运用数值模拟分析，研究矿压规律和煤壁失稳机理等，为3803工作面实现安全高效回采提供了技术保障。

一、工作面上覆岩层垮落状态和顶板垮落步距模拟分析

1.“两带”高度模拟分析

经坊煤矿应用3DEC数值模拟软件对3#煤层综采工作面顶板垮落状态进行了模拟分析，最终得出3#煤层开采顶板垮落带和裂隙带的大致范围。

（1）当工作面推进20m时，泥岩直接顶完全垮落，冒落高度为2.42m，裂隙发育区域距离煤层顶板约为8.9m，无顶板弯曲下沉区域。

（2）当工作面推进30m时，厚度为6.5m的砂岩完全垮落，基本顶初次来压，冒落高度约为9m，裂隙带发育高度为25.9m，顶板弯曲下沉现象不明显。

（3）当工作面推进50m时，冒落高度增加到13m，裂隙发育区高度距离煤层顶板为36m，顶板弯曲下沉现象不明显。

（4）当工作面推进 70m时，冒落高度增加到24m，裂隙高度发育进一步增加，距离煤层顶板约为52m，顶板出现明显弯曲下沉区域，弯曲下沉区域超过模型大小。

（5）当工作面推进100m时，冒落高度和裂隙高度均没有大的变化。

综上分析推断得出，经坊煤矿3803工作面顶板冒落带高度约为24m，裂隙带高度约为52m。

2.顶板垮落步距模拟分析

根据3803工作面推进过程中煤岩层的破坏状态，可以初步判断直接顶初次来压、基本顶初次来压，以及基本顶周期来压情况。通过对模拟结果进行分析，当工作面自切眼推进约16m时，直接顶初次来压，工作面直接顶初次垮落步距约为16m左右；当工作面自切眼推进约32m时，基本顶完成了首次完整的垮落。由此可以判定，工作面基本顶初次垮落步距约为32m，即在32m左右范围。当工作面推进约50m时，基本顶发生了周期垮落，从而可以判定基本顶周期来压步距约在18m左右。

二、工作面超前支承压力和滞后应力状态分析

1.超前支承压力分析

通过对FLAC3D建立的3#煤层工作面开采的数值模拟模型计算，可以得出工作面超前支承压力分布规律。自开切眼开始，随着工作面不断推进，超前支承压力峰值及集中系数呈增大的趋势，大约在基本顶发生垮落之后才逐渐趋于稳定。且由于煤层倾角不大，工作面不同位置煤体原岩垂直应力相差不大，工作面中部和工作面靠两帮处超前支承压力显现相似。

（1）当工作面推进4m时，工作面超前支承压力峰值约为14MPa，应力集中系数约为1.4，超前支承压力影响范围为16m。

（2）当工作面推进16m时，工作面超前支承压力峰值约为16MPa，应力集中系数约为1.6，超前支承压力影响范围为14m。

（3）当工作面推进28m时，工作面超前支承压力峰值约为18MPa，应力集中系数约为1.8，超前支承压力影响范围为15m。

（4）当工作面推进40m时，工作面超前支承压力峰值约为19MPa，应力集中系数约为1.9，超前支承压力影响范围为17m。

综上分析推断得出，经坊煤矿3803工作面超前支承压力峰值位置距离工作面6～7m左右。

2.滞后应力状态分析

选择以开始回采时3803回风顺槽和辅助回风巷巷间煤柱沿工作面方向截面为考察对象，分别得到工作面推进不同距离时，煤柱体内的垂直应力分布状态。

从模拟结果可以看出，煤柱两侧存在应力集中现象。靠3803回风巷侧，峰值位置距离3803回风巷约5m；靠辅助回风巷侧，峰值位置距离辅助回风巷约3m。同时，比较煤柱两侧峰值大小可以得出，煤柱靠回风巷侧峰值略高于靠辅助回风巷一侧。此外，随着工作面的推进，煤柱体内垂直应力峰值先呈现上升的趋势。受工作面初次来压的影响，待工作面推进30m左右，煤柱应力峰值略有下降，并在后期保持相对稳定。

图1 推进不同距离后煤柱应力分布规律

图1显示，整个煤柱体内支承压力呈“马鞍”状分布。煤柱体0～8m范围，处于应力下降区，这是由于受采动影响煤柱体外缘已经发生破坏，承载能力下降。

图2 滞后影响范围应力分布曲线

从图2分析可知，随着工作面的推进，煤柱中部应力集中程度增加，峰值也随之增大，峰值的位置也随工作面推进发生相应转移。滞后影响支承压力峰值一般位于工作面煤壁后方约10～14m的范围内，正常回采时，工作面前方应力集中影响范围约为75m，工作面后方影响范围约为50m。

三、推进速度对片帮的影响

为了研究工作面推进速度对煤壁片帮的影响，经坊煤矿采用调节模拟运算时步来间接反映工作面推进速度对煤壁片帮的影响。综合分析可知，模拟过程中随着运算时步的增加，工作面前方煤体的水平位移、剪切破坏区、拉伸破坏区均有增加的趋势，煤体的破坏程度加大，煤体的稳定性降低。运算时步增加间接反映为工作面推进速度的降低。因此，提高推进速度有利于提高煤壁的稳定性，降低煤壁片帮失稳发生的概率。

四、模拟研究结果

1.经坊煤矿3803工作面顶板冒落带高度约为24m，裂隙带高度约为52m。直接顶初次垮落步距约为16m左右，基本顶初次垮落步距约为32m，基本顶周期来压步距约在18m左右。自开切眼开始，随着工作面不断推进，超前支承压力峰值及集中系数呈增大趋势，大约在基本顶发生垮落之后才逐渐趋于稳定。提高推进速度有利于提高煤壁的稳定性，降低煤壁片帮失稳发生的概率。

2.随着工作面的推进，煤柱中部应力集中程度增加，滞后影响支承压力峰值一般位于工作面煤壁后方约10～14m的范围内，在正常回采时，工作面前方应力集中影响范围约为75m，工作面后方影响范围约为50m。

（作者单位：山西省长治经坊煤业有限公司）

（责任编辑：周琼）