綜放開采頂煤破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究

吳雪峰

綜放開采頂煤破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究

吳雪峰

根據(jù)斜溝煤礦13#煤層賦存情況，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法對厚煤層綜放開采主要影響因素進(jìn)行研究，得到了各因素影響規(guī)律。各因素與頂煤破壞綜合指標(biāo)顯著相關(guān)，對影響程度進(jìn)行主次排序：埋深→煤單軸抗壓強(qiáng)度→工作面長度→支架支撐力→煤厚。

厚煤層；綜放開采；數(shù)值模擬；頂煤

1 礦井概況

斜溝煤礦13#煤層位于太原組下部，上距8#煤層38.10 m～78.10 m、平均 52.42 m，下距 S1砂巖15.97 m～36.94 m、平均 23.76 m；煤層厚度為5.95 m～16.68 m，平均14 m，為結(jié)構(gòu)簡單層位穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，是勘探區(qū)內(nèi)的又一主采煤層；含夾矸0層～6層、一般為0層～3層，夾矸厚度為0.00 m～0.90 m、一般為0.08 m～0.43 m；頂板巖性為砂質(zhì)泥巖和泥巖，老頂為中粗粒砂巖，常見炭質(zhì)泥巖偽頂；底板巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖，有時(shí)為粉砂巖或泥灰?guī)r，普遍存在著炭質(zhì)泥巖偽底。

2 計(jì)算方案及模擬過程

2.1 計(jì)算方案

影響綜采放頂煤工作面頂煤破壞的主要有埋深、煤厚、煤的硬度、工作面長度、支架支撐力5個(gè)因素。對每個(gè)因素設(shè)計(jì)5個(gè)水平（見表1），組成25個(gè)正交實(shí)驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)因素與水平

2.2 計(jì)算模型

運(yùn)用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模擬模型。取工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸，工作面長度方向?yàn)閅軸，垂直方向?yàn)閆軸，設(shè)計(jì)煤層為近水平煤層。圖1為模型三維幾何尺寸、網(wǎng)格劃分和邊界條件。

模型中煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見第2頁表2。

2.3 模擬過程

在模擬時(shí)，每次開挖3 m，設(shè)計(jì)采高3 m，待平衡后，再開挖3 m，再計(jì)算至平衡。以此循環(huán)，直至工作面推進(jìn)120 m。在模擬中，頂煤及頂板垮落厚度根據(jù)各方案所開采的煤層厚度不同而異，巖石垮落后的碎脹系數(shù)按1.25考慮。

2.4 評價(jià)指標(biāo)

在工作面推進(jìn)過程中，頂煤逐步由彈性變形進(jìn)入塑性狀態(tài)，頂煤單元破壞強(qiáng)度與支撐壓力間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。因此，以巖石的強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，計(jì)算頂煤各單元破壞程度的大小，稱破碎系數(shù)，然后將破碎系數(shù)累加后平均，即可得到綜合量Y。Y值為頂煤單元平均的破碎系數(shù)大小，能夠反映頂煤冒放性的好壞。

表2 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)

式中：Yi——頂煤破壞綜合指標(biāo)；

Vi——單元體積；

Zi——支架控頂區(qū)域頂煤單元的破壞系數(shù)，其值越大頂煤單元的破壞程度越高；

i——單元編號。

各方案頂煤破壞結(jié)果見表3。然后分別對各因素作一元回歸分析，得出各因素對頂煤破壞綜合指標(biāo)的影響規(guī)律，見第3頁圖2。

表3 各因素按水平分組的頂煤破壞綜合指標(biāo)的平均值

由圖2可以得到各因素對頂煤破壞的影響規(guī)律，但煤體從完整到破壞再到放落下來是各個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，而以上單因素的回歸分析不能明確地表明各因素之間的影響程度和主次排序，為此將上述的埋深H、煤厚M、工作面長度L、煤單軸強(qiáng)度Rc、支架支撐力P0等5個(gè)因素一起作多元回歸分析，得：

該式的相關(guān)檢驗(yàn)系數(shù)R2=0.864 2，F(xiàn)檢驗(yàn)為24.189 1＞F0.05=2.74，相關(guān)性顯著。

運(yùn)用該式可以計(jì)算任一煤層的頂煤破壞綜合指標(biāo)值。

為了得出埋深H、煤厚M、工作面長度L、煤單軸強(qiáng)度Rc、支架支撐力P0等5個(gè)因素對頂煤破壞性影響的主次排序，在此引入極差分析（各因素在不同水平下的頂煤破壞綜合指標(biāo)Y的最大值減去最小值），根據(jù)各因素極差大小，得出對頂煤破壞綜合指標(biāo)Y影響程度的主次排序?yàn)椋?/p>

埋深H=0.654-0.29=0.364＞煤單軸抗壓強(qiáng)度Rc=0.702-0.394=0.308＞工作面長度L=0.58-0.406=0.174＞支架支撐力P0=0.554-0.496=0.058＞煤厚=0.53-0.494=0.036。

3 結(jié)論

①厚煤層綜放開采時(shí)，對頂煤破壞綜合指標(biāo)影響因素主次排序?yàn)椋郝裆睢簡屋S抗壓強(qiáng)度→工作面長度→支架支撐力→煤厚。

②運(yùn)用多元回歸分析，得出各因素對頂煤破壞綜合指標(biāo)相關(guān)關(guān)系為：Y=0.000 96H-0.006 5M+0.000 467Rc-0.017 5L-0.000 002P0+0.382 93。該式的相關(guān)檢驗(yàn)系數(shù)R2=0.864 2，F(xiàn)檢驗(yàn)為24.189 1＞F0.05=2.74，相關(guān)性顯著。運(yùn)用該式可以計(jì)算任一煤層的頂煤破壞綜合指標(biāo)值。

[1] 靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術(shù) [M].北京：北京工業(yè)出版社，2001：

[2] 趙宏亮，袁永，張琳.大傾角松軟煤層綜放面礦壓規(guī)律與控制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(3)：1-8.

[3] 潘俊鋒，齊慶新，史元偉.綜放開采頂板巖層垮斷特征的3DEC模擬研究 [J].煤礦開采，2007，12 (1)：4-7.

[4] 康紅普.深部煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)踐 [J].煤礦開采，2008，13(1)：1-5.

[5] 范明建.錨桿預(yù)應(yīng)力與巷道支護(hù)效果的關(guān)系研究 [J].煤礦開采，2007，12(4)：1-3.

Numerical Simulation Study on Top Coal Damage Law in Fully Mechanized Top-coal Caving

Wu Xuefeng

Based on occurrence situation of 13#coal seam in Xiegou.Though FLAC3Dnumerical simulation method,the main influence factors law about thick seam mining is studied and the influence factors are obtained.Destruction of various factors and comprehensive index of top coal was significantly related.The extent of primary and secondary sort:the depth of coal seam→uniaxial compressive strength of coal→the length of working face in turn by the influence extent→the stents support force→seam thickness.

thick coal seam;fully mechanized top-coal caving;numerical simulation；top coal

TD821

A

1000-4866（2011）04-0001-03

吳雪峰，女，1971年1月出生，1993年6月畢業(yè)于蘭州大學(xué)（經(jīng)濟(jì)地理與城鄉(xiāng)區(qū)域規(guī)劃專業(yè)），現(xiàn)在大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院任教。

2011-07-29

2011-08-11