综放工作面顺序放煤采动力学分析_郑海波.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 厚煤层及特厚煤层在我国煤炭资源中占有相当 大的一部分比例， 而针对厚及特厚煤层目前常采用放 顶煤的开采方式， 放顶煤具有开采效率高、 设备布置 简单、 人员利用率高以及成本低等优势[1-3]， 在放顶煤 开采中， 由于工艺的不同， 存在不同的放煤顺序， 如顺 序放煤， 间隔放煤和两端向中间放煤等， 不同的放煤 顺序， 导致顶煤处于不同的应力状态， 而顺序放煤是 最常用的放煤方式之一， 因此有必要研究顺序放煤时 的顶煤受力特征， 为综放工作面的安全开采及合理支 护提供基本理论依据[4-5]。 1顺序放煤基本原理 顺序放煤工艺如图 1 所示 图 1顺序放煤工艺示意图 顺序放煤工艺即沿着回采工作面依次顺序对上 部顶煤放出， 放煤顺序依次为 1→2→n→， 顺序 放煤过程中， 前方煤层的受力分布特征如图 2 所示 图 2顺序开采上部煤层受力分布特征 2不同煤厚下顺序放煤采动力学数值模拟 2.1模型基本条件 本次数值计算使用的软件是世界著名大型通用 有限元分析软件 ANSYS， 拥有 240 余种单元， 上百种 材料本构模型， 具有塑性、 蠕变、 粘弹性等多种非线性 求解和多物理场耦合分析功能。其中的 ANSYS 的单 元生死技术， 可以很好的模拟整个顶煤开采的采煤和 放煤过程； 同时， 采用的本构模型能够较好地模拟煤 岩体等岩石类材料，适合本研究项目的数值计算工 作。本次分析采用 ANSYSV14.0 64bit 版本完成。 选定模拟地点为某矿 8212 工作面， 直接顶 厚度 综放工作面顺序放煤采动力学分析 郑海波 ，折 雄 （陕西彬长胡家河矿业公司 ， 陕西 咸阳 713602 ） 摘要 为研究综放工作面顺序放煤下的围岩受力特征及采动力学记录，对煤厚为 11m 的顺序放煤 工序进行了数值模拟， 结果表明， 对于 11m 厚煤岩顺序放煤， 顶煤下部的竖向应力值均大于煤岩上部 和中部的竖向应力， 顶煤中部应力分布较为均一， 为顶煤高度方向应力最小的部位， 从顶煤应力云图 及应力状态分布曲线可以得到， 顶煤下部是煤岩应力增幅最大的部位。 关键词 综放工作面 ； 采动力学 ； 顺序放煤 ； 顶煤应力 中图分类号 TD823文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0160-03 Dynamic analysis of sequential caving in fully mechanized caving face ZHENG Haibo ， SHE Xiong （Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Company , Xianyang 713602 , China ） Abstract in order to study the stress characteristics of surrounding rock and the record of mining dynamics under the sequential coal cav- ing in the fully mechanized caving face, the numerical simulation of the sequential coal caving process with the coal thickness of 11m is carried out. The results show that for the sequential coal caving with the coal thickness of 11m, the vertical stress value of the lower part of the top coal is greater than the vertical stress value of the upper part and the middle part of the coal, and the stress distribution in the middle part of the top coal is relatively uni, which is the highest stress in the height direction of the top coal In the small part, from the stress nephogram and stress state distribution curve of the top coal, the lower part of the top coal is the part with the largest increase of stress. Key words fully mechanized caving face ; mining dynamics ; sequential caving ; top coal stress 160 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 为 5.67～17.68m， 平均为 11.39m， 以泥岩为主。老顶 厚度为 16.91～34.89m， 平均为 23.41m， 以粗粒砂岩 为主。直接底厚度为 0.45～7.90m，平均厚度为 3.90m， 以高岭岩为主。 老底 厚度为 1.40～24.59m， 平 均厚度为 11.97m， 以含砾粗砂岩为主。 2.2模拟工况与基本参数 放顶煤开采大致可以分为三个步骤， 分别是 1 ） 计算初始地应力。本次计算， 地应力以自重应 力为主， 没有考虑构造应力的影响， 故本研究仅考虑 自重应力作为初始地应力； 2 ） 开挖及加支架计算。在初始地应力基础上， 计 算原始煤岩在工作面推进方向开挖 12m 后的情况， 即在有限元分析中使用单元生死功能杀死被挖去的 开挖煤体单元， 并同时激活支架单元。 3 ） 不同放煤工序计算。即分别计算顺序、 间隔及 从两端向中间放煤时， 顶煤的应力状态。 根据参数反演的结果，最终选取的计算参数如 表 1。 表 1岩石物理力学参数 2.3模型建立与边界条件设置 三维模型以开挖负方向为 Z轴； Y 轴方向为铅直 方向， 向上为正； X轴方向平行于放煤方向。 结合工作 面相关地质资料，本次计算三维模型为 300300 300m。 关心的岩层区域为 505050m， 位于模型的 中部。本次煤层厚度为 11m， 煤层的 y坐标范围依次 为， 139146m、 139150m 和 139158m。第二步骤原 始煤岩在工作面推进方向开挖 12m 后，挖掉 y 坐标 范围为 139142m的煤层，激活支架单元进行计算， 然后分别进行顺序放煤下的模拟。 3计算结果分析 图 311m 厚煤岩顺序放煤有限元模型 通过建立数值模拟模型对 11m 厚煤层进行顺 序放煤的采动力学分析，建立的有限元模型如图 3 所示。 放第 2 块煤 图 411m 煤层顶煤应力分布曲线放第 2 块煤 从 11m 厚煤层第 2 次顺序放煤中，顶煤不同高 度应力分布曲线及应力云图可以看到， 11m厚煤层顶 煤下部 （Y142m ） 处， 第 3 块煤岩的竖向应力最大， 为 19.7MPa， 第 25 块煤岩应力最小， 为 18.3MPa， 下部煤 岩的平均竖向应力约为 18.5MPa； 中部Y146m处， 中间煤块的竖向应力最大， 为 12.7MPa， 第 3 块煤岩 应力最小， 为 11.8MPa， 中部煤岩的平均竖向应力约 为 12.5MPa； 上部 （Y150m ） 处， 煤岩的竖向应力分布 较为均一， 且中间煤岩的竖向应力较大， 为 17.9MPa， 第 25 块煤岩应力最小， 为 15.8MPa， 上部煤岩的平均 竖向应力约为 17.5MPa。 放第 8 块煤 图 511m 煤层顶煤应力分布曲线放第 8 块煤 从顶煤不同高度应力分布曲线及应力云图可以 看到， 11m 厚煤层顶煤下部Y142m处， 第 9 块煤岩 的竖向应力最大，为 21.0MPa，第 25 块煤岩应力最 小，为 18.3MPa，下部煤岩的平均竖向应力约为 18.5MPa； 中部 （Y146m ） 处， 中间煤块的竖向应力最 大， 为 13.0MPa， 第 9 块煤岩应力最小， 为 11.9MPa， 中 部煤岩的平均竖向应力约为 12.5MPa； 上部Y150m 处， 煤岩的竖向应力分布较为均一， 且中间煤岩的竖 向应力较大， 为 17.9MPa， 第 25 块煤岩应力最小， 为 15.8MPa， 上部煤岩的平均竖向应力约为 18.0MPa。 放第 14 块煤 岩石种类天然密度g/cm3变形模量 EGPa泊松比 μ 老底 - 含砾粗砂岩2.5326.00.20 直接底 - 高岭岩2.6020.00.28 煤1.593.50.30 直接顶 - 泥岩2.585.00.28 老顶 - 粗粒砂岩2.4028.40.24 围岩2.5020.00.25 161 ChaoXing （上接第 159 页） [1] 瞿武.煤矿建设期间混合立井临时改绞技术[J].建井技术， 2013,34644- 46 [3] 赵鹏.立井临时改绞混合提升设备选型计算[J].中国矿业, 2015,2408141- 143. 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