太原理工大学矿业工程学院 山西太原 030000
摘要：以某矿10#煤层大采高综采面为工程研究背景，利用控制变量法，保持工作面地质条件、工作面倾角、煤层埋深以及采高等条件不变，构建工作面长度分别为150m、250m、350m和450m的FLAC3D计算模型，对比分析工作面矿压显现的长度效应。得到了工作面长度变化引起的工作面覆岩整体应力的变化规律。
关键词：大采高 控制变量法 数值模拟 长度效应
1 矿井概况
某矿目前10#煤层开采10103工作面，该工作面地面标高983.2m~1168.5m，井下标高710m~760m，工作面煤层厚度为3.61~4.29m，平均厚度为4.0m，总体呈单斜构造，煤层倾角1°~16°，属全井田稳定可采煤层，采用大采高一次采全高采煤方式，全部垮落法管理顶板。10#煤层结构简单，赋存稳定。
2 大采高综采采场矿压显现的工作面长度效应数值模拟
2.1 模型建立
为有效提高计算速度与计算精度，模型应首先根据10#煤层为地质原型建立数值模拟模型。并在该模型的基础上调节不同参数建立对比模型，根据不同研究对象，进行调节。
模型模拟几何尺寸：长×宽×高=300m×310m×165m。模型共划分3141600个单元，3221634个节点。模型模拟10#煤层厚4.0m，煤层顶板161m，底板40m。
（2）模型边界条件：模型左、右侧各留设30m煤柱，防止边界效应影响数值模拟的准确性，整个模型在前、后，左、右及下部均为固定边界，没有水平位移，在在模型上部施加垂直应力，应力大小取5.375MPa。
（3）液压支架模型的建立：根据10103工作面现有液压支架型号ZZ8200/24/50及平均支护强度，在工作面控顶区范围内施加垂直于顶板的1.0MPa的应力。
（4）模拟方案及过程：首先开挖工作面，沿工作面推进方向每次开挖1.5m，开挖高度为工作面煤层平均厚度，推进长度为300m，计算步数应当至每个循环待模型稳定之后为止。将该范围内的10#煤层全部开采。采用完全垮落法管理顶板。照循环进度周期性开挖工作面，研究不同工作面长度影响下的采场矿压显现规律，再进行下一个循环继续推进工作面。同时，由于FLAC3D未能准确模拟出顶板的垮落特征以及顶板垮落后对工作面覆岩的支撑效应，所以应当对采空区冒落矸石进行充填模拟，利用10#煤层顶底板力学性质，结合在冒落矸石支撑方面的强度动态变化研究方面的有益结论。
2.2 数值模拟方案选定
为确定不同工作面长度条件下，工作面矿压显现规律的变化情况，采用控制变量的试验方法，进行对比研究。在其他工作面生产要素不变的前提下，只改变工作面的长度，对比各次数值模拟的结果，得出工作面长度加大以后的一系列变化。
2.3 数值模拟分析
在工作面上覆岩层充分破坏后，即在工作面推进200m后，对数值模拟结果进行分析。采高4.0m，埋深350m，工作面沿水平开采时，不同工作面长度下的大采高工作面采空区围岩应力分布情况，随着工作面长度增加，顶板的拱形卸压区逐渐转向马鞍型卸压区过渡且低应力区范围增加，表明工作面的长度越长，采空区围岩应力释放越充分，同时在顶板两端卸压区相对中间越高。工作面中部由于采空区覆岩垮落充分，矸石逐渐充分垮落并充满采空区，被压实后对上覆岩层起到支撑作用，应力逐渐恢复到原岩应力水平，顶板卸压更充分。
同时，工作面保护煤柱内部应力集中范围与系数增加。当工作面倾向长度为450m时，侧向应力极值为44.03MPa，远大于煤的单轴抗压强度14.05MPa，且则向应力峰值向煤柱内部移动，可见当工作面倾向长度增加后，相邻工作面之间的区段煤柱必然出现采空区煤柱稳定性降低的现象，对本工作面回采及顺槽支护及相邻工作面的回采工作产生一系列的恶劣影响。
不同工作面长度下工作面走向应力分布可知，在工作面控顶区上方施加了1.0MPa的支护强度后，控顶区上方范围内出现了明显的应力卸压拱，有效控制了工作面顶板的应力，对控顶区范围内的围岩起到了保护作用。但当工作面长度增加至450m，支护强度为1.0MPa的液压支架，对采场顶板卸压效果较差，无法对顶板进行有效控制。
极限平衡区：工作面回采时，由于受到工作面采动影响，煤体内原岩应力分布发生改变，在煤壁前方一定范围内出现了应力的急剧增加，极限平衡区就是指煤壁前方到超前应力峰值之间的距离，在此范围内煤体失去了承载能力。结合模拟分析可知，极限平衡区受到工作面长度效应的影响明显，当工作面长度由150m增大到450m后，极限平衡区范围由3.7m增大至5.8m，可见随着工作面长度的增大极限平衡区范围逐渐增加。
弹性区：超前应力峰值之后，支承压力值缓慢降低减至原岩应力水平，具体表现为该范围内煤体仍处于弹性状态，顺槽在该范围内未受到超前应力影响，不需要进行加强支护。模拟结果表明，支承压力进入稳压区的范围受工作面倾向长度变化得影响明显，当工作面倾向长度为450m时，超前支承压力影响范围达到了40m。
超强应力峰值：当工作面长度为150m时，支承压力峰值23.95MPa，其与煤壁的距离为3.7m左右；当工作面长度为450m时，支承压力峰值增大到32.05MPa，其与煤壁的距离5.2m左右。这主要是因随着工作面倾向长度增加，工作面前方支承压力峰值点的位置向着工作面煤壁前方移动，长度越大，前移越明显；随着工作面长度的增加，工作面超前支承压力变化规律曲线基本类似，说明工作面长度的增加对超前支承压力分布规律没有显著影响，只是其峰值与位置出现变化。当工作面长度增加后，可以预想到工作面矿压显现剧烈，极易出现工作面端面冒漏及煤壁片帮，顺槽超前支护距离与强度应当增加。
方案工作面长度/m超前应力峰值/MPa超前支承应力峰值距煤壁距离/m
由表1的工作面长度工作面覆岩超前应力峰值大小与位置变化可以得到工作面超前支承压力峰值、位置与工作面长度呈现出对数函数增加。峰值位置与工作面长度的对数函数为y=1.3415ln(x)-3.0596，相关性系数为0.9745。峰值大小与工作面长度的对数函数为y=6.7962ln(x)-9.9497，相关性系数为0.9924。
3 结论
（1）随着工作面长度的增加，顶板的拱形卸压区逐渐转向马鞍型卸压区过渡且低应力区范围增加，表明工作面的长度越长，采空区围岩应力释放越充分，同时在顶板两端卸压区相对中间越高；工作面长度越大，工作面支承压力峰值越大，且其与煤壁的距离逐渐增大。
（2）工作面长度工作面覆岩超前应力峰值大小与位置变化可以得到工作面超前支承压力峰值、位置与工作面长度呈现出对数函数增加。峰值位置与工作面长度的对数函数为y=1.3415ln(x)-3.0596，相关性系数为0.9745。峰值大小与工作面长度的对数函数为y=6.7962ln(x)-9.9497，相关性系数为0.9924。
参考文献：
[1]黄庆享，周金龙.浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构研究[J].煤炭学报，2016，41(S2):279-286.
[2]黄庆享，董博，陈苏社.浅埋特大采高工作面矿压规律及支护阻力确定[J].采矿与安全工程学报，2016，33(05):840-844.
作者简介：秦 欣宇（1987—），男，助理工程师，在读工程硕士，邮编：036000，通讯地址：山西省朔州市平朔生活区，联系电话：18603496487，电子邮箱：285041097@qq.com
论文作者:秦欣宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/9
标签：工作面论文; 应力论文; 长度论文; 峰值论文; 顶板论文; 煤层论文; 超前论文; 《防护工程》2018年第19期论文;