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[摘要]伊旗昊达煤矿位于内蒙古自治区伊金霍洛旗境内，属浅埋煤层。研究有助于掌握伊旗昊达煤矿综采工作面围岩活动规律、矿山压力显现规律，为煤矿巷道支护设计、工作面开采方案设计提供依据。根据昊达煤矿的地质条件，应用FLAC软件对工作面及回采巷道进行了数值模拟。分析工作面回采过程中，围岩应力与变形的分布特征。保证工作面安全高效生产，使伊旗昊达煤矿在安全生产基础上进步提高煤炭产量，创造更大的经济效益。
[关键词]数值模拟 围岩活动规律 矿压显现规律 支护范围
[中图分类号] U452.1+2[文献码] B[文章编号] 1000-405X（2013）-10-274-2
0引言
20世纪70年代以来，“砌体梁”假说、“关键层”理论和“托板”理论等，极大地丰富了煤层开采过程中岩层运动的研究成果。围岩活动规律研究的主要内容包括：工作面直接顶、老顶的垮落规律、工作面前方支承压力分布规律、工作面开采过程动态围岩应力分布规律、工作面上覆岩层运动规律等。对围岩的活动规律的主要研究方法有：相似材料模拟、数值模拟和现场观测等方法。论文应用数值模拟对围岩的活动规律进行分析研究。迄今为止在研究应力和变形方面有限元方法是最为成熟的方法之一，但是连续性和均匀性假设这两个弱点一直限制着有限元在岩层移动方面的真正运用。岩石内部存在着大量的微孔隙、微裂纹等内部缺陷，并在不同程度上受到非连续面的切割。这些都给岩石变形过程的数值模拟带来了极大的困难。
1昊达煤矿浅埋煤层综采工作面地质概况
昊达煤矿，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗新庙镇境内。具体位置在边家壕村以南，丁家圪堵以西一带。伊金霍洛旗昊达煤炭有限责任公司煤矿位于东胜煤田东南部，基本构造形态与东胜煤田一致，为一向南西倾斜的单斜构造，倾角1°～3°，区内无断层及较大褶皱，亦无岩浆岩侵入，地质构造简单，区内无岩浆岩出露。
2 3021工作面围岩活动规律数值模拟
2.1FLAC软件介绍
FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是连续介质快速拉格朗日分析程序。利用显式有限差分方法求解，其基本原理与算法与离散元法相似，它运用节点位移量连续条件，可对连续介质进行大变形分析，基于显式差分法求解运动方程和动力方程。计算中采用莫尔-库仑模型和空单元模型（巷道开挖和工作面回采）。莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则为：
式中，σ1、 σ3分别是最大主应力和最小主应力，c， φ分别是粘结力和摩擦力。当 fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥ σ1）判断岩体是否产生拉破壞。
2.2模型建立
根据工作面地质条件和煤岩条件等分别建立以下模型进行计算：
建立3201工作面走向模型图1，模型范围为900 m×83.5 m，共建立39634个单元网格，40100个节点。通过对工作面不断向前回采的数值模拟，研究工作面围岩的应力分布与变形特征。
建立3201工作面倾向模型图2，模型范围为900 m×83.5 m，共建立37234个单元网格，39600个节点。通过对工作面不断向前回采的数值模拟，研究工作面围岩的应力分布与变形特征。
数值计算包括以下内容：（1）工作面矿压显现规律，确定初次垮落步距和周期垮落步距；（2）工作面围岩应力分布规律；（3）工作面上覆岩层活动规律。
2.3模型参数及边界条件
煤岩体物理力学参数的选取，见表1。计算模型边界条件确定如下：（1）模型左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零；（2）模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零；（3）模型顶部为自由边界。
模型上部已达地表，故无需再施加载荷，水平方向施加3 MPa的等效应力。
2.4数值模拟结果分析
（1）3201综采工作面两巷围岩数值计算
对工作面回采巷道进行了数值计算后，运输顺槽与回风顺槽的垂直应力分布与水平应力分布见图3～6。
从图3～6可以看出，3201工作面两巷在锚杆支护下，巷道得到很好的控制，锚杆群形成了组合拱共同支承围岩；
在浅埋深的条件下，由于压力小，巷道支护比较容易，围岩易于控制。可以确定现有的锚杆支护方案是合理的。
（2）3201工作面回采时围岩数值模拟结果分析
随着工作面的不断推进，工作面围岩应力发生着变化，围岩应力分布见图7～11。
（3）工作面走向模型模拟结果分析
工作面向前推进100m时，垂直应力分布情况见图12，煤壁前方受采空区影响出现应力集中现象，在工作面前方0～3m范围内为应力降低区，应力值为2～3MPa，在工作面前方3～20m范围内为应力升高区，应力值为3～9MPa，峰值出现在煤壁前方4～6m的范围内，工作面前方15～20m的范围内煤层受到采动影响，因此工作面超前支护范围15～20m。
3结论
通过应用FLAC对3021综采工作面回采巷道进行了数值模拟，再现了工作面围岩的活动规律，掌握了工作面矿压显现的规律，对日后高效回采有效支护提供了借鉴。
（1）从模拟结果分析，直接顶初次垮落步距约为10m，老顶周期来压步距约为20m。
（2）工作面推进过程中，在工作面前后端形成应力集中，且随着推进应力逐渐增大，工作面推进前30m时，应力为2～3MPa，推进30m后，最大应力趋于稳定，达到4～5MPa。
（3）工作面前方15～20m的范围内煤层受到采动影响，因此工作面超前支护范围15～20m。
（4）利用FLAC数值模拟，可较好地掌握综放采场围岩压力分布规律，为巷道合理布置提供理论依据。 Numerical Simulation Research on Surrounding Rock Activities Regularity of Yiqihaoda Mine
Abstract：Yiqihaoda mine is located in the territory of Inner Mongolia Autonomous Region Yinjinhuoluo， a shallow seam. The study helps to grasp the Yiqihaoda fully mechanized coal faces activity patterns， seam rules for coal roadway design， face provide a basis for the design of mining plan. According to Haoda mine geological conditions， apply software FLAC to numerical simulate roadway face. Analysis of the mining face during rock stress and deformation distribution. Ensure safe and efficient production of face， so the Iraqi flag Hao of mine production safety on the basis of progress to improve coal production and create greater economic benefits.
Key word：Numerical simulation， Surrounding rock activities rule， Strata behavior regularity， supporting scope
参考文献
[1]肖长春，孔翔.潘一东矿无煤柱沿空留巷围岩活动规律研究[J].煤炭工程.2013.7.
[2]杨宝贵，李永亮，宋晓波.充填开采工作面矿压显现规律数值模拟分析[J].煤炭工程.2013.4.
[3]王松魁.采场矿压显现规律数值模拟研究[J].科技创新与生产力.2013.7.10.
[4]张朋.综采矿压显现规律与航道支护效果数值模拟研究[D].内蒙古科技大学.2011.6.
[5]刘毅，闫洁伦，杨启楠.综放工作面围岩活动规律数值模拟[J].辽宁工程计算大学学报.2010.6.
[6]G.F.Wang&J.F.Liu.Compatibility designof equipment&its practice for fully mechanized coal worface with a larger dip.5th International Symposium on Mining Science and Technology.2004.10.
[7]余學义，黄森林.浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及其控制方法分析[J].煤炭地质与勘探.2006.2（25）121.
[8]于庆波，陈晓雷.某矿综放工作面运输巷矿山压力显现规律数值模拟研究[J].综采放顶煤技术.2012.10.1.
[9]宋金国，贾宝财.顶板高抽钻孔抽放瓦斯的应用[J].煤炭技术，2008，27（4）：72-73.
[10]陈中伟，茅献彪，张吉雄，巨峰.矸石充填开采覆岩活动规律数值模拟研究[J].岩土工程数值方法与高性能计算学术研讨会论文集.2007.8.18.
[关键词]数值模拟 围岩活动规律 矿压显现规律 支护范围
[中图分类号] U452.1+2[文献码] B[文章编号] 1000-405X（2013）-10-274-2
0引言
20世纪70年代以来，“砌体梁”假说、“关键层”理论和“托板”理论等，极大地丰富了煤层开采过程中岩层运动的研究成果。围岩活动规律研究的主要内容包括：工作面直接顶、老顶的垮落规律、工作面前方支承压力分布规律、工作面开采过程动态围岩应力分布规律、工作面上覆岩层运动规律等。对围岩的活动规律的主要研究方法有：相似材料模拟、数值模拟和现场观测等方法。论文应用数值模拟对围岩的活动规律进行分析研究。迄今为止在研究应力和变形方面有限元方法是最为成熟的方法之一，但是连续性和均匀性假设这两个弱点一直限制着有限元在岩层移动方面的真正运用。岩石内部存在着大量的微孔隙、微裂纹等内部缺陷，并在不同程度上受到非连续面的切割。这些都给岩石变形过程的数值模拟带来了极大的困难。
1昊达煤矿浅埋煤层综采工作面地质概况
昊达煤矿，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗新庙镇境内。具体位置在边家壕村以南，丁家圪堵以西一带。伊金霍洛旗昊达煤炭有限责任公司煤矿位于东胜煤田东南部，基本构造形态与东胜煤田一致，为一向南西倾斜的单斜构造，倾角1°～3°，区内无断层及较大褶皱，亦无岩浆岩侵入，地质构造简单，区内无岩浆岩出露。
2 3021工作面围岩活动规律数值模拟
2.1FLAC软件介绍
FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是连续介质快速拉格朗日分析程序。利用显式有限差分方法求解，其基本原理与算法与离散元法相似，它运用节点位移量连续条件，可对连续介质进行大变形分析，基于显式差分法求解运动方程和动力方程。计算中采用莫尔-库仑模型和空单元模型（巷道开挖和工作面回采）。莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则为：
式中，σ1、 σ3分别是最大主应力和最小主应力，c， φ分别是粘结力和摩擦力。当 fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则（σ3≥ σ1）判断岩体是否产生拉破壞。
2.2模型建立
根据工作面地质条件和煤岩条件等分别建立以下模型进行计算：
建立3201工作面走向模型图1，模型范围为900 m×83.5 m，共建立39634个单元网格，40100个节点。通过对工作面不断向前回采的数值模拟，研究工作面围岩的应力分布与变形特征。
建立3201工作面倾向模型图2，模型范围为900 m×83.5 m，共建立37234个单元网格，39600个节点。通过对工作面不断向前回采的数值模拟，研究工作面围岩的应力分布与变形特征。
数值计算包括以下内容：（1）工作面矿压显现规律，确定初次垮落步距和周期垮落步距；（2）工作面围岩应力分布规律；（3）工作面上覆岩层活动规律。
2.3模型参数及边界条件
煤岩体物理力学参数的选取，见表1。计算模型边界条件确定如下：（1）模型左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零；（2）模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零；（3）模型顶部为自由边界。
模型上部已达地表，故无需再施加载荷，水平方向施加3 MPa的等效应力。
2.4数值模拟结果分析
（1）3201综采工作面两巷围岩数值计算
对工作面回采巷道进行了数值计算后，运输顺槽与回风顺槽的垂直应力分布与水平应力分布见图3～6。
从图3～6可以看出，3201工作面两巷在锚杆支护下，巷道得到很好的控制，锚杆群形成了组合拱共同支承围岩；
在浅埋深的条件下，由于压力小，巷道支护比较容易，围岩易于控制。可以确定现有的锚杆支护方案是合理的。
（2）3201工作面回采时围岩数值模拟结果分析
随着工作面的不断推进，工作面围岩应力发生着变化，围岩应力分布见图7～11。
（3）工作面走向模型模拟结果分析
工作面向前推进100m时，垂直应力分布情况见图12，煤壁前方受采空区影响出现应力集中现象，在工作面前方0～3m范围内为应力降低区，应力值为2～3MPa，在工作面前方3～20m范围内为应力升高区，应力值为3～9MPa，峰值出现在煤壁前方4～6m的范围内，工作面前方15～20m的范围内煤层受到采动影响，因此工作面超前支护范围15～20m。
3结论
通过应用FLAC对3021综采工作面回采巷道进行了数值模拟，再现了工作面围岩的活动规律，掌握了工作面矿压显现的规律，对日后高效回采有效支护提供了借鉴。
（1）从模拟结果分析，直接顶初次垮落步距约为10m，老顶周期来压步距约为20m。
（2）工作面推进过程中，在工作面前后端形成应力集中，且随着推进应力逐渐增大，工作面推进前30m时，应力为2～3MPa，推进30m后，最大应力趋于稳定，达到4～5MPa。
（3）工作面前方15～20m的范围内煤层受到采动影响，因此工作面超前支护范围15～20m。
（4）利用FLAC数值模拟，可较好地掌握综放采场围岩压力分布规律，为巷道合理布置提供理论依据。 Numerical Simulation Research on Surrounding Rock Activities Regularity of Yiqihaoda Mine
Abstract：Yiqihaoda mine is located in the territory of Inner Mongolia Autonomous Region Yinjinhuoluo， a shallow seam. The study helps to grasp the Yiqihaoda fully mechanized coal faces activity patterns， seam rules for coal roadway design， face provide a basis for the design of mining plan. According to Haoda mine geological conditions， apply software FLAC to numerical simulate roadway face. Analysis of the mining face during rock stress and deformation distribution. Ensure safe and efficient production of face， so the Iraqi flag Hao of mine production safety on the basis of progress to improve coal production and create greater economic benefits.
Key word：Numerical simulation， Surrounding rock activities rule， Strata behavior regularity， supporting scope
参考文献
[1]肖长春，孔翔.潘一东矿无煤柱沿空留巷围岩活动规律研究[J].煤炭工程.2013.7.
[2]杨宝贵，李永亮，宋晓波.充填开采工作面矿压显现规律数值模拟分析[J].煤炭工程.2013.4.
[3]王松魁.采场矿压显现规律数值模拟研究[J].科技创新与生产力.2013.7.10.
[4]张朋.综采矿压显现规律与航道支护效果数值模拟研究[D].内蒙古科技大学.2011.6.
[5]刘毅，闫洁伦，杨启楠.综放工作面围岩活动规律数值模拟[J].辽宁工程计算大学学报.2010.6.
[6]G.F.Wang&J.F.Liu.Compatibility designof equipment&its practice for fully mechanized coal worface with a larger dip.5th International Symposium on Mining Science and Technology.2004.10.
[7]余學义，黄森林.浅埋煤层覆岩切落裂缝破坏及其控制方法分析[J].煤炭地质与勘探.2006.2（25）121.
[8]于庆波，陈晓雷.某矿综放工作面运输巷矿山压力显现规律数值模拟研究[J].综采放顶煤技术.2012.10.1.
[9]宋金国，贾宝财.顶板高抽钻孔抽放瓦斯的应用[J].煤炭技术，2008，27（4）：72-73.
[10]陈中伟，茅献彪，张吉雄，巨峰.矸石充填开采覆岩活动规律数值模拟研究[J].岩土工程数值方法与高性能计算学术研讨会论文集.2007.8.18.