张集矿西二1煤首采面工作面长度数值模拟的应用

张集矿西二1煤首采面工作面长度数值模拟的应用

李连成

淮南矿业集团张集煤矿安徽淮南232001

摘要：近年来，我国综合机械化采煤工作面日益增多，综采产量占全国煤炭总产量的比重越来越大，如何合理选择综采工作面的参数，是煤矿设计、科研和工程技术人员关注的问题。综采工作面长度是一项重要的参数，它不仅关系到矿井和采区参数的选择，而且直接影到矿井生产的技术经济效果，因此，探讨综采工作面长度的优化问题，对于进一步发展综采、提高综采工作面的生产能力和经济效益有重要意义。

关键词：FLAC3D；采煤工作面;数值模拟

对合理选择综采工作面长度及其优化的问题，国内外进行过不少研究。分别采用过的方主要有类比法、工艺分析法和经济数学模拟法等。

因此，确定最优的综采工作面长度，是一个多目标、复杂因素影响的决策问题，应采用综合优化的方法进行研究，主要按照工作面地质因素、工作面设备能力以及矿区管理水平，从技术、经济角度寻找吨煤费用最低的目标来确定。虽然现阶段设备能力已不是限制工作面长度参数的主要因素，而且关于大采高工作面合理参数研究分析的成果较多，但是对于坚硬顶板特厚煤层大采高工作面长度的合理性分析还处于起步阶段。本课题从张集煤矿西二1煤采区Ⅲ条带的地质条件出发，在综合考虑了设备因素、经济因素、产量因素的基础上，通过FLAC3D数值模拟分析确定工作面长度对矿山压力显现的影响，进而对西二1煤首采面工作面长度进行优化分析。

114131工作面概况

张集矿A组煤首采区为西二1煤上采区，首采面14131工作面地质构造相对简单，煤厚3.54～8.8m，平均7.0m；煤层可采性指数（Km）为1，变异系数（r）为2.5%，为稳定可采的厚煤层。煤层倾角4～7°，平均5.4°。1煤层f值0.83～1.13，平均0.95。

14131轨顺揭露Fs8014断层附近1煤层顶板砂岩强度相对较低。成分以石英长石为主，坚硬，裂隙较为发育，局部含水，厚度为17.53～44.72m，平均27.9m，。

2模拟方案

2.1模型建立

根据14131工作面工程的情况，沿工作面倾向方向取300m，沿工作面走向方向取200m，煤层赋存情况与夹层均按工作面围岩状图建立。计算模型的大小为300m×200m×170m（长×宽×高），整个模型划分为255450个单元，390750个节点，岩层力学参数如表1所示。

2.2模拟方案

由张集矿现有资料和高产高效要求出发，工作面长度设定为160、180、200m，初次来压步距设定为80m。通过数值模拟分析工作面长度对采场矿压显现的影响。

3模拟结果分析

3.1长160m工作面围岩的稳定性分析

通过模拟工作面回采后巷道围岩位移从围岩位移剖面图可知，工作面顶板围岩位移呈扇形分布，其中，工作面围岩的最大下沉量为2.5m，而工作面底鼓量较大，约为0.5m，所以巷道顶板并没有垮落到底板，一直悬空。从围岩位移俯视图可知，模型顶部位移呈现近似椭圆形分布，其中，模型顶板中部中心下沉量最大，为1.55m，中部边界处位移量较大，为0.4~0.6m。

围岩垂向应力分布状态由于工作面顶板没有垮落，工作面老顶底部的大部分区域处于拉应力区，拉应力极值为0.91MPa，而底板靠近两侧煤柱的部分区域也处于拉应力区。在工作面两侧煤柱形成应力集中区，其中，下顺槽煤帮垂向应力最大，为23.85MPa，应力集中系数为2.2，工作面两侧煤柱应力集中程度大容易偏帮突出。

从塑性区可知，工作面顶板、底板中部和两侧煤柱都发生较为严重的剪切塑性破坏，而工作面围岩拉伸破坏程度相对较小，其中，在靠近两侧煤柱的顶底板都出现不同程度拉伸破坏，而老顶巨厚砂岩顶部出现较为明显拉伸破坏，说明此处岩层离层现象较为明显，老顶巨厚砂岩已经处于接近破坏临界状态。

3.2长180m工作面模型的稳定性分析

通过模拟回采后工作面围岩位移从围岩位移剖面图可知，工作面顶板围岩位移呈扇形分布，其中，工作面围岩的最大下沉量为6.26m，而工作面底鼓量较大，约为0.4m，所以工作面顶板垮落下来，与底板接触，从围岩位移俯视图可知，模型顶部位移呈现近似椭圆形分布，其中，模型顶板中部中心下沉量最大，为5.86m，中部边界处位移量较大，为0.5~1.0m。

围岩垂向应力由于工作面顶板已经垮落，工作面顶板底部靠近两侧煤柱区域出现拉应力，拉应力极值为0.51MPa，而底板靠近两侧煤柱处区域也处于出现拉应力。在工作面两侧煤柱内形成应力集中区，其中，下顺槽煤帮垂向应力最大，为21.28MPa，应力集中系数为1.95，工作面两侧煤柱应力集中程度较工作面长度为160m时明显下降。

从塑性区分布可知，工作面顶板、两侧煤柱和底板中部都发生较为严重的剪切塑性破坏，而工作面围岩拉伸破坏程度明显增大，其中，工作面顶板中部区域出现较为严重的拉伸破坏，同时，在顶板巨厚砂岩顶部出现较为严重拉伸破坏，拉伸破坏范围明显增大，顶板岩层离层程度进一步加重。

（3）长200m工作面模型的稳定性分析

通过模拟回采后工作面围岩位移，从围岩位移剖面图可知，工作面顶板围岩位移呈近似锥形分布，其中，工作面围岩的最大下沉量为6.30m，而工作面底鼓量约为0.3m，工作面顶板与底板接触面积进一步增大，从模型位移平俯视图可知，模型顶部位移呈现近似长椭圆形分布，其中，模型顶板中部中心下沉量最大，为6.08m，中部边界处位移量较大，为0.52~1.0m。

围岩垂向应力分布状态由于工作面顶板垮落范围进一步增大，工作面顶板两侧靠近煤柱的较大范围出现拉应力，极值为0.49MPa，而底板靠近两侧煤柱的浅部区域也处于拉应力区。在工作面两侧煤柱内形成应力集中区，垂向应力极值出现下顺槽煤帮处，为23.34MPa，最大应力集中系数为2.14，应力集中程度略有较工作面长200m时略有提高。

由塑性区分布可知，工作面围岩发生较为严重的剪切塑性破坏，而工作面围岩拉伸破坏程度进一步增加，其中，工作面顶板中部大部分区域出现较为严重的拉伸破坏，同时，在顶板巨厚砂岩顶部拉伸破坏范围随着工作面长度的增加而增大，顶板岩层顶板离层变形程度加重，离层范围进一步增加。

4结论与建议

（1）利用1410（1）工作面资料、14131工作面围岩柱状图中的岩性描述和部分顶板的力学参数，初步设定14131工作面围岩岩体力学参数和地应力分布特征，利用FLAC3D数值软件建立大采高工作面模型，并确定了14131工作面长度选择范围和初次来压步距的模拟方案。

（2）通过数值模拟分析工作面长度与围岩位移、垂向应力、塑性区分布等之间的关系，比较分析可知，当初次来压步距为80m时，工作面长度设为180m较为合理。