賈 岳

（西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200）

基于CFD方法的俯偽斜分段采煤研究

賈 岳

（西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200）

為了對俯偽斜分段密集采煤法存在的問題進行研究，本文以福達煤礦為實際工程背景，運用CFD數(shù)值模擬軟件對俯偽斜分段密集采煤法采動作用下，工作面頂?shù)装暹\移規(guī)律進行了模擬研究，并研究了不同煤層傾角、推采距離以及巷道數(shù)目對工作面頂?shù)装暹\移的影響效果，數(shù)值模擬結(jié)果表明：當煤層傾角在65°～70°時，煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著；當煤層傾角不在此范圍內(nèi)時，最大應(yīng)力受傾角影響不明顯；巷道的數(shù)目也對支撐壓力有一定的影響，支架超前承壓數(shù)值的大小隨巷道數(shù)目的增多而增加，且支撐壓力極限值出現(xiàn)的位置會越來越靠近工作面，增加了開采時的危險性；采用俯偽斜分段密集采煤法開采時，工作面上下兩個端頭附近是危險區(qū)域，在兩端頭附近區(qū)域非?？赡馨l(fā)生頂板冒落。

俯偽斜；分段采煤；CFD方法；頂?shù)装暹\移

俯偽斜分段密集采煤法是一種適應(yīng)性強、回采率高的采煤方法［1］。在20世紀90年代后期，煤炭工業(yè)迅速發(fā)展，我國對大傾角采煤技術(shù)的發(fā)展需求迫切，在這種背景下，俯偽斜分段密集采煤法最早在芙蓉礦務(wù)局成功應(yīng)用，后來在全國不同地區(qū)的許多煤礦進行了推廣應(yīng)用，并得到了煤炭部的認可，逐漸成為一種大傾角傾斜煤層的主流采煤方法［2-4］。在日后的生產(chǎn)實踐應(yīng)用中，此方法在技術(shù)上日趨成熟，尤其是在采場布置、支護、傾角選擇上日趨合理。但由于我國煤炭資源賦存條件復雜多變［5］，不同礦區(qū)地質(zhì)條件差異較大，加之起初此方法是應(yīng)用于薄煤層的開采，因此，在實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些問題，比如：對此方法采落煤炭后的頂?shù)装暹\移變形規(guī)律還不清楚，表面應(yīng)力改變與顯現(xiàn)的規(guī)律也不能完全掌握。

鑒于此，本文以福達礦為實際工程背景，采用CFD數(shù)值模擬研究方法對實際比較復雜的偽斜分段采煤工程問題進行模擬研究，以期得到俯偽斜分段密集采煤法還未掌握的規(guī)律，更好地指導生產(chǎn)。

1 工程概況

福達煤業(yè)井田位于潞安煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)東北部，15號煤層屬侏羅紀煤層，井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組，礦井的生產(chǎn)能力為120萬t/a，采用斜井、立井聯(lián)合的開拓方式，現(xiàn)在所采煤層15號煤層布置分段密集支柱支撐工作面，采用三巷道同采的方式進行采煤作業(yè)。15號煤層位于-100~200 m，平均厚度為1.6 m，煤層傾角65°，所選用偽斜傾角為21°、水平傾角21°。

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 CFD模型的建立

在建立CFD數(shù)值計算模型時，本文將實際工程情況假設(shè)成有限元的彈塑性本構(gòu)模型，在此情況下，模型計算符合摩爾-庫倫準則。在設(shè)定模型的邊界條件時，考慮到實際工程情況，也為了便于模型的計算，選取模型尺寸為（高×寬×長）250×120×100（m3）。模型側(cè)面和頂?shù)酌婢鶠楣潭s束。依據(jù)以上邊界條件，建立了CFD模型，見圖1。

圖1 CFD模型圖

2.2 CFD模型參數(shù)的選擇

考慮到上覆巖層的重量，模型頂部輸入載荷AH為10 MPa，作為模擬自重，其中A是上覆巖層的重度（N/m3）；H是煤層的采深（m）。模型所取參數(shù)見表1。

3 CFD模擬頂?shù)装暹\動規(guī)律

由于地質(zhì)和煤炭賦存條件的復雜性，在研究煤礦開采采動影響下，頂?shù)装宓倪\移規(guī)律和特征，一直是重點研究領(lǐng)域中的難點，數(shù)值模擬能較好的解決這個問題［6-8］。在模擬計算時推采距離分別為50 m、100 m，煤層傾角65°。

表1 有關(guān)巖層巖性參數(shù)表

反應(yīng)頂?shù)装暹\移規(guī)律的最重要的兩個檢測指標是：頂板、底板法線方向最大應(yīng)力與極限位移。因此，對這兩個指標量進行動態(tài)數(shù)值模擬，分別得到了頂?shù)装宸ㄏ蜃畲髴?yīng)力和法向最大位移以及工作面推采距離的關(guān)系曲線。因為底板分析方法與頂板一致，所以，僅作出頂板有關(guān)圖線，見圖2，圖3。

圖2 頂板位移場圖

圖3 頂板法向最大應(yīng)力與傾角、推采距離的關(guān)系曲線圖

由圖2，3可以得到如下規(guī)律：隨著煤層傾角的不斷增大，頂板法線方向極限位移、最大應(yīng)力逐漸減小。每當煤層傾角增加10°左右時，頂板法線方向極限位移減小34%左右。

煤層頂板法向應(yīng)力沿工作面兩側(cè)逐漸減小，最大應(yīng)力位置在下端頭附近。而頂板法線方向最大位移沿采空區(qū)對角線方向逐漸減小，且呈扇形分布，極限位置出現(xiàn)在上端頭附近；煤層底板的極限位移分布規(guī)律與頂板一致，但是法線方向最大應(yīng)力發(fā)生位置不同于頂板，其出現(xiàn)在上端頭附近。

確定頂?shù)装鍛?yīng)力、位移的極限位置對實際生產(chǎn)具有重要意義，在實際開采中，可以在應(yīng)力、位移極限位置提前采取相應(yīng)措施加以防范，對生產(chǎn)安全具有重要作用。

由數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，法線方向極限位移的分布規(guī)律：下部位移小于中部位移，上部位移最大，即為上部＞中部＞下部。當煤層傾角在65°～70°時，煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著；當煤層傾角不在此范圍內(nèi)時，最大應(yīng)力受傾角影響不明顯，底板變化規(guī)律跟頂板一致。

極限位移受推采距離變化的影響不夠顯著，并且隨著煤層傾角的增大，受推采距離變化的影響作用逐漸減小。底板法線方向極限位移隨開采巷道數(shù)的增加變化顯著：巷道條數(shù)增加時，極限位移隨之變大。增幅超過9%，而頂板極限位移同步增加，且增加幅度超過底板，致使底板形成拱形彎梁，底板容易破壞，易導致支架事故。

4 結(jié)論

本文以福達煤礦為實際工程背景，運用CFD有限元軟件，對頂?shù)装暹\移規(guī)律最重要的兩個檢測指標進行數(shù)值模擬研究，在采動引發(fā)地表沉陷的研究、俯偽斜采煤法參數(shù)優(yōu)化和沖擊地壓危險區(qū)域的預測方面具有借鑒意義。經(jīng)數(shù)值模擬計算，得到以下結(jié)論：

1）極限沉陷位移隨著推采深度的增加逐漸向開采方向遷移，沉陷的影響范圍也逐步擴大。在確定開采參數(shù)前，應(yīng)先選擇合理的開采方案，必須考慮到煤層傾角對工作面超前承壓的數(shù)值和作用范圍的影響。當煤層傾角在65°~70°時，煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著；當煤層傾角不在此范圍內(nèi)時，最大應(yīng)力受傾角影響不明顯，底板變化規(guī)律跟頂板一致。

2）在運用俯偽斜分段密集采煤法開采時，工作面上下兩個端頭附近是危險區(qū)域，在兩端頭附近區(qū)域非?？赡馨l(fā)生頂板冒落。一旦發(fā)生頂板冒落事故，冒落巖石會從上下端頭角連線方向開始下滑，進而對支柱造成沖擊破壞，嚴重時發(fā)生連帶二次災害，使頂板事故擴大。在端頭附近區(qū)域必須提前采取措施，加大支護力度。

3）對俯偽斜分段采煤法中超前支撐壓力作用的模擬研究表明，巷道的數(shù)目也對支撐壓力有一定的影響?？梢哉J為，支架超前承壓數(shù)值的大小隨巷道數(shù)目的增多而增加，且支撐壓力極限值出現(xiàn)的位置會越來越靠近工作面，增加了開采時的危險性。

4）對比工程實測數(shù)據(jù)，CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，說明該模擬可以用于俯偽斜分段采煤法，并在俯偽斜分段采煤采動影響下頂?shù)装宓倪\移規(guī)律預測和提高煤礦開采安全性方面具有實際意義。

［1］李龍瑞.俯偽斜走向分段密集采煤法在六枝煤礦的應(yīng)用［J］.江西煤炭科技，2010（7）：21-22.

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［3］唐巨鵬，潘一山，李忠華，等.大臺井俯偽斜分段密集采煤法數(shù)值模擬研究［J］.煤炭學報，2003（05）：496-499

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［5］曹光明，楊勝利.淺談我國煤炭資源賦存特點和開采技術(shù)現(xiàn)狀［C］.中國煤炭學會，2012.

［6］王巖森，范隆聲，曹慶堯，等.大傾角煤層回采時頂?shù)装寤顒右?guī)律分析及應(yīng)用［J］.江蘇煤炭，2004（02）:21-22.

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Research on Downhill False Inclination Subsection Mining Based on CFD Method

Jia Yue

In order to research on the problem of downhill false inclination subsection intensive coal mining method，F(xiàn)uda coal mine is as the practical project background，CFD numerical simulation software is utilized to simulation study the roof and floor migration rules with the downhill false inclination subsection intensive coal mining method.The impact effect of different coal seam dip，mining distance and the number of roadway to working face roof and floor migration is studied，the numerical simulation results show that when coal seam dip is 65°~70°，the maximum stress of seam roof normal direction is influenced remarkably by angle change.When coal seam dip is beyond the scope，the maximum stress is influenced not obvious.The support pressure is also affected by the number of roadway，with the increase of roadway number，advanced pressure of support increases，and the position of support pressure limit value is more and more close to the working face，the dangerousness of mining is increasing.When using downhill false inclination subsection intensive coal mining method to mining，the area nearby the upper and lower ends of working face is dangerous，where is highly possible occurrence of roof caving.

Downhill false inclination；Segmented mining；CFD method；Migration of roof and floor

TD82

A

1672-0652（2014）11-0047-03

2014-10-13

賈岳（1972—），男，山西河曲人，1995年畢業(yè)于陽泉煤炭?？茖W校，工程師，主要從事煤礦開采管理方面的工作（E-mail）763132088@qq.com