作者：张毅
近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟分析越来越多的利用到矿业工程中来，成为主要的研究手段之一。在地应力研究方面，Flac、Flac3D以及UDEC分析软件运用较多。本文以某矿井的9、101、102近距离煤层为研究对象，利用基于三维显式有限差分法的工程力学数值模拟软件Flac3 D对矿井实例进行模拟计算与分析。
1 工程实际
1.1 煤层
某矿井煤层综合柱状图如图1所示。
1.2工作面布置
根据采区设计，在矿井的东部，布置了10603工作面，10602面采空区位于10603工作面北部，102层煤采空区位于10603工作面西部，10605待采工作面位于10603工作面南侧；F25-1断层位于10603工作面东侧，9煤工作面煤柱下方布置10603工作面切眼。
2模型构建
2.1 几何模型
根据煤层条件及现场实际应用的可行性，本次数值模拟的模型涵盖8煤顶板至102煤层底板，以10603工作面切眼为重点研究对象，分析其在上煤层9煤回采后与9煤采空区、煤柱之间的位置关系。切眼：高×宽= 2m×5m。模型模拟几何尺寸：长x×宽y×高x =120m x160m×55m。
为了使得计算结果切合生产实际，对研究区域进行网格细化处理，即10603工作面切眼位置在开 挖切眼周围位置，所建模型如图2所示。
2.2模型边界条件
如图3所示，模型底部、左侧、右侧均设置为固定边界，无水平位移；模型上部设置加载边界，按式
式中：P为加载应力大小，单位M Pa；y为上覆岩层的平均容重，单位N/m3，大小为2.5 x104；H为模型顶部垂直深度，单位m，大小为120m。
2.3模拟方案及过程
模拟计算过程分两步：
1)模拟开采上位煤层9煤工作面，分析9煤开采后形成的塑性区和应力集中区；
2)假想一个10603工作面开切眼位置，模拟分析该位置条件下切眼围岩应力分布、破坏规律，并根据分析结果，得出最佳开切眼位置。
数值模拟方案如图4所示。
2.4模拟参数选取
本次模型的破坏准则，遵循莫尔一库仑( Mohr- Coulomb)屈服准则，如式(2)所示。
表1为模型中岩体的力学参数。
3 数值模拟结果及分析
3.1 围岩应力分布
对9煤进行回采后，工作面围岩应力进行重新分布并达到平衡，如图5所示。此时，对应的假想10603工作面切眼位置应力分布图见图6所示。
从图5、图6中可以看出，在采空区两侧均形成应力集中带。9煤层采空区下方10603工作面，应力集中中心距离工作面1m左右的位置，应力集中总体影响区域主要为10603工作面预开切眼的右侧和下部，且右侧影响范围达7m，下部影响范围近10m，对工作面安全生产影响严重区域为右侧4m，下部3m。
3.2 围岩破坏规律
如图7所示，9煤层回采开挖后，对10煤层的顶、底板均产生了破坏。其破坏方式以拉张破坏为主，分布于9煤层的采空区上方；上覆岩层弯曲下沉区域为塑性变形主要区域，该区域的上部岩层未受到9煤回采的采动影响。总体来看，9煤回采的采动影响范围为：影响上部岩层高达26m，对底板破坏深至5. 6m。其中严重影响区域范围为：顶部9m，底板3m左右。
3.3 10603工作面开切眼最佳位置
在近距离煤层开采中，下邻近层开采对上邻近层的采动影响的一个主要因素就是两相邻煤层之间的间距。并且，进行下煤层回采巷道的布置设计时，应着重考虑上下煤层之间的这种影响关系，其中，上煤层的回采巷道布置、煤柱留设位置及采场的应力分布是下位煤层回采工作面布置的主要影响因数。内错距一般指两巷之间的水平距离，在近距离煤层开采中，其作为两邻近煤层工作面布置的一个重要参数。内错距选确定的原则主要有：下位煤层的工作面巷道应布置在采场应力降低区域；下位煤层工作面的顶板应尽可能的保持完整，降低巷道 支护成本。
综合上述模拟分析，综合102煤层地质资料，10603工作面预开切眼与9煤中采空区保护煤柱错距应大于5m。
4结论
1)9煤层回采后，10603工作面预开切眼围岩应力进行重新分布，应力集中区域分布于采空区右侧和底板岩层，总体上，9煤回采产生的应力集中范围为：右侧7m，底板10m。
2)从围岩的破坏规律来看，围岩以拉张破坏为主，分布于9煤层的采空区上方；上覆岩层出现弯曲下沉现象，且该区域为塑性变形主要区域。总体来看，9煤回采的采动对上覆岩层影响的范围大于对底板的影响范围。其中严重影响区域范围为：上方9m以内的上覆岩层，下方3m以内的底板岩层。
3)围岩应力及围岩破坏规律分析，结合102煤层地质资料，上位煤层9煤开采后，下位煤层102煤中10603工作面切眼与9煤保护煤柱的错距应大于5m。
5 摘要：在近距离煤层群的开采中，工作面巷道位置选择直接影响其支护方式、顶底板管理等生产工作。为了得到下位煤层工作面切眼的合理位置，利用基于三维显式有限差分法的计算工具Flac3D，以矿井近距离煤层9、101、102为工程实例，分析了在近距离煤层群回采时期，下邻近层综采工作面切眼位置与上邻近层预留保护煤柱错距。结果表明，上邻近层回采后，在其因支承压力和拉张作用下的下沉盆地中岩层内，主要发生塑性变形；上覆岩层破坏范围为26m，底板破坏范围为5. 6m，采空区左右两侧破坏范围3~5m;下位煤层10603工作面切眼与上位煤层9煤保护煤柱错距应大于5m。
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