張志利

（大同煤礦集團(tuán)朔州煤電有限公司，山西朔州038300）

支承壓力對(duì)開(kāi)采煤層、頂?shù)装?、相鄰煤層及其作用范圍?nèi)的巖層會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在發(fā)生沖擊地壓和煤層噴出的礦壓顯現(xiàn)中，支承壓力就是其源動(dòng)力[1]。通常支承壓力會(huì)引起底鼓、片幫、冒頂?shù)?，妨礙開(kāi)采計(jì)劃的順利實(shí)施，甚至對(duì)生產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

煤體強(qiáng)度也是導(dǎo)致煤壁片幫的主要因素，控制煤壁的水平位移會(huì)降低片幫的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)數(shù)值模擬方法針對(duì)煤體強(qiáng)度對(duì)煤壁的水平位移的影響進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。

1 工作面煤壁力學(xué)模型的建立

在分析了晉華宮礦7#煤層采用大采高綜采的可行性前期實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并運(yùn)用FLAC3D差分軟件建模計(jì)算[2]。

FLAC3D主要是用在上覆巖層的移動(dòng)受力計(jì)算的專業(yè)軟件，對(duì)礦井地下開(kāi)采所涉及的巖土力學(xué)問(wèn)題只要參數(shù)輸入正確，模擬結(jié)果是可信的，為此在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)地質(zhì)資料和物理力學(xué)參數(shù)及鉆孔柱狀圖建立模型。所建模型中頂板巖石層的厚度為50.25 m，7#煤層的厚度為6 m，底板巖層30.4 m。沒(méi)有模擬的上部巖層采用等效載荷方式施加在模型頂部。鉛直等效載荷主要考慮自重載荷為[3]：

其中：H為老頂上方未模擬頂板的厚度為280 m；ρ為煤巖層的視密度取平均,ρ=2.53 kg/cm3。

煤壁支護(hù)阻力p和采高M(jìn)的關(guān)系如下式：

由上式可知采高越大，支護(hù)阻力就越大。如果支護(hù)力小，不能維持上覆巖層的應(yīng)力重新分布的平衡，煤壁的支撐壓力增大導(dǎo)致煤壁的水平位移增大。用有限差分軟件建立的數(shù)值巖層結(jié)構(gòu)圖和等效應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖1a，b。

圖1 力學(xué)模型

整個(gè)模型4個(gè)立面均固定法向位移。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)按試驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)給定，沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的巖層屬性按巖性的平均取值給定[4-5]。

2 不同煤體強(qiáng)度條件下煤壁的位移情況

針對(duì)晉華宮礦的地質(zhì)條件，考慮到斷層等地質(zhì)因素的影響下，部分區(qū)域煤層強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，模擬了煤體強(qiáng)度變化條件下煤壁的位移情況?？紤]在支護(hù)強(qiáng)度1.1 MPa的條件下，計(jì)算2 000時(shí)步，監(jiān)測(cè)煤壁距底板分別為1，2，3，4，5 m位置處節(jié)點(diǎn)的水平位移，模擬選取煤體強(qiáng)度分別為f=0.4，0.5，0.6，0.8，1.0共5種情況進(jìn)行考慮，計(jì)算得到的不同煤體強(qiáng)度下煤壁的水平位移曲線，見(jiàn)圖2（a，b，c，d，e）。

圖2 不同煤體強(qiáng)度下煤壁水平位移曲線圖

由圖2可看出，隨著煤體強(qiáng)度的增加煤壁最大水平位移在逐漸變小，距離底板越遠(yuǎn)采高越大。在圖形上表現(xiàn)為位移曲線變得扁平。但煤壁水平位移隨時(shí)間變化規(guī)律基本沒(méi)有因位置不同和煤體強(qiáng)度不同而有所變化。

3 結(jié)論

隨著煤體強(qiáng)度的增大，煤壁最大水平位移減小。當(dāng)煤體強(qiáng)度小于0.5時(shí)，煤體強(qiáng)度的增加對(duì)減小最大水平位移的作用極為明顯，但由于整體煤體較軟，在f=1.0以下時(shí)，煤體強(qiáng)度的增加對(duì)減小煤壁最大水平位移作用均較顯著。

由上述分析可見(jiàn)，晉華宮礦7#煤層采用大采高綜采，在一定的合理支護(hù)強(qiáng)度下，只要采煤速度較快，在6 m左右的采煤高度的情況下。在液壓支架額定工作阻力為12 000 kN情況下，采煤機(jī)割煤推進(jìn)速度保證每天進(jìn)兩個(gè)截深下，能保證煤壁不會(huì)片幫且來(lái)壓期間動(dòng)載支架運(yùn)行平穩(wěn)，工作面煤壁會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定。驗(yàn)證了大采高工作面是可行的。

[1]賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2]彭文斌.FLAC 3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]肖學(xué).大采高綜采工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律及圍巖控制研究[J].山西煤炭，2012,32（11）:32-36.

[4]李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗(yàn)教程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

[5]朱世陽(yáng).厚煤層6.0 m采高液壓支架穩(wěn)定性研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2011.