摘要：厚煤层大采高综采工作面的压力作用变化较大，对煤矿的安全开采具有重要的影响作用。针对厚煤层大采高综采过程中，工作面的应力分布采用数值模拟的方式进行研究分析，建立不同采高的数值分析模型，对煤岩的开采过程进行模拟。结果表明，在大采高综采过程中工作面超前支护的垂直应力随采高增加而减小，工作面采空区水平应力随采高增加而增加，存在最优的采高工艺值，满足煤岩的压力及拉应力作用。

　　关键词：大采高综采；采高；应力；仿真模拟

　　0引言

　　我国的煤炭资源丰富，且在煤炭的赋存中以厚煤层的储量及产量居多，对我国的发展提供了重要的能源支撑。在厚煤层的开采中，我国目前主要的开采工艺为大采高综采的方式，这种开采方式相对分层开采及综放开采等工艺方式具有采出率高及生产能力强的优点，且在煤矿的防治水及火灾防治方面具有明显的优势，对煤矿的高效安全开采具有重要的意义。大采高综采在开采过程中的采高较大，具有较强的生产能力及开采效率，但随着采高的不断增加，煤岩的应力平衡被破坏，造成应力向煤壁的方向集中，使煤体产生塑性破坏，容易造成煤壁得到片帮等问题，对工作面的安全及开采造成严重影响。大采高综采过程中，采高作为重要的工艺参数，其对工作面的应力分布具有重要的影响，从而影响煤矿的开采。针对采高对工作面应力的影响作用，采用数值仿真的形式进行研究分析，从而为厚煤层大采高综采的工艺参数选择提供参考，提高煤矿的安全高效开采水平。

　　1厚煤层大采高综采分析模型的建立

　　在进行厚煤层大采高综采的过程中，由于单次开采的采高值较大，对工作面的矿压压力产生较大的影响作用，以某厚煤层大采高综采3215工作面为例进行工作面应力的变化分析。3215工作面煤层平均厚度为7 m，工作面走向长度为840 m，倾向长度为212~215 m，探明煤炭储量为178万t，工作面平均埋深为480 m，属于深部埋深厚煤层开采，所属矿区以亮煤为主，含有少量的半亮型煤，含有厚度约0.35 m的泥岩夹矸层。依据煤层的开采工艺，采用大采高综采的方式进行开采，针对不同的采高开采过程中，工作面的应力变化进行研究，设定采高分别为5.5、6、6.5、7 m，对工作面的开采过程进行数值模拟。

　　采用FLAC 3D模拟软件进行煤层的开采过程仿真分析，FLAC 3D采用拉格朗日连续分析的方式对岩层的力学参数及三维结构进行模拟分析，含有多种分析模型，适用于采矿、岩土等工程领域的仿真分析。依据3215工作面的地质条件，建立四种不同采高下的分析模型，在FLAC 3D软件中建立煤岩开采的数值模型，设定模型的尺寸为400 m×300 m×120 m，模型底部为固定边界，顶部为自由边界，其余周免受到水平位移的约束限制，上边界岩层的深度以480 m计算，即上边界施加10.9 MPa的压应力作用，建立煤岩的初始模型如图1所示。

　　在模型中，采用基于库伦摩尔定律的M-C模型进行煤岩的模拟，该模型针对松散的胶结颗粒进行分析，适用于煤岩的变化特性。煤岩的主要分层为泥质砂岩层、粉砂层、细砂层及泥岩层，依次设定不同岩层的力学参数。在模型中，分别设定四种不同的采高，对不同采高的开采过程进行模拟，对开采过程中煤岩的应力变化进行分析。

　　2厚煤层大采高综采工作面应力分布的变化

　　2.1工作面垂直应力的变化分析

　　在工作面推进过程中，煤岩的应力不断发生变化，以工作面推进到约100 m位置处的应力变化进行分析，采高为6 m时的应力分布如图2所示。以此为示例，其他三种采高的垂直应力分布与此类似，在不同的采高下，工作面的垂直应力变化具有一定的相似性，同时也存在较大的差别。

　　对不同采高下的垂直应力变化进行分析可以得出，在煤矿开采过程中，随着煤层工作面的推进，已开采区域的压力降低，这是由于工作面的覆岩结构中，关键层岩层起到承载作用，关键层岩层的承载断开了覆岩压力向采空区的传播，使得采空区仅受到垮落岩层的压力作用，使得采空区的压力降低；在工作面推进过程中，工作面超前的部分应力升高，这是由于在大采高综采过程中，基本顶在压力作用下形成砌体梁结构，受到来自覆岩的压力作用并向前传递，使得处于工作面超前区的压应力升高，造成煤岩的压缩破坏，处于不稳定的变化状态，对工作面的超前支护及煤壁控制提出较高的要求。

　　对工作面的超前应力变化进一步进行分析发现，超前支撑压力的变化范围是一定的，在超前支撑压力区可分为应力的升高区及降低区，在超前支撑压力的最大值位置存在压力的分界线，且超前支撑压力的最大值对采高的变化较为敏感，与采高的变化呈负相关性。四种不同采高下的超前支撑区压力的最大值变化如图3所示，从图3中可以看出，随着采高的增加，则超前支撑区压力的最大值逐渐减小，这是由于采高的增加，使得煤壁的承压范围增加，煤岩整体容易垮塌，引起煤体的破碎。

　　2.2工作面水平应力的变化分析

　　在煤层工作面的开采过程中，煤岩的抗压强度一般要大于抗拉强度，工作面的水平拉应力区域是工作面的薄弱位置，容易引发顶板及片帮的事故，造成煤矿的安全事故。对不同采高下工作面的水平应力变化进行分析，以工作面推进100 m时，对煤壁后方10 m处采空区的水平应力进行分析，6.5 m采高时的水平应力变化，如图4所示。以此为示例，对工作面的水平应力进行研究分析。

　　在工作面推进过程中，煤壁的后方逐渐垮落形成采空区，对不同采高时工作面水平拉应力的最大值进行统计，得到不同采高的拉应力最大值变化，如图5所示。从图5中可以看出，在厚煤层大采高综采过程中，随着开采高度的增加，则采空区受到的水平拉应力随之增加，当采高大于6.5 m时，拉应力的最大值急剧增大，这说明采高越大，工作面顶板覆岩受到的拉应力作用越大，造成工作面顶板及垮落的高度变大。在大采高综采过程中，随着采高的增加，则覆岩的活动区域变大，工作面顶板的压力增加，对工作面顶板控制难度增加。

　　通过上述的分析可知，在进行厚煤层综采的过程中，随着采高的增加，工作面超前支护的垂直应力随采高增加而减小，工作面采空区水平应力随采高增加而增加。这说明，在进行厚煤层大采高综采过程中，存在最优的采高工艺值，满足煤岩的压力及拉应力作用，应依据具体的开采工艺对采高的参数设定进行合理设定，提高煤矿开采的效率并保证煤矿的安全性。

　　3结论

　　1）厚煤层资源是我国煤炭赋存及使用的重要部分，其开采效率对我国煤炭的使用具有重要的影响。大采高综采是进行厚煤层开采的主要工艺方式，由于采高的增加，提高了煤矿的开采效率，同时，大采高对煤岩的应力变化影响较大，从而对煤矿开采的安全性产生影响。

　　2）采用数值模拟的形式对不同采高下工作面的应力变化进行分析，建立了大采高综采的分析模型，并对不同采高的开采过程进行模拟，对不同采高下煤岩的垂直应力及水平应力进行分析。结果表明，在大采高综采过程中，工作面超前支护的垂直应力随采高增加而减小，工作面采空区水平应力随采高增加而增加。

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