大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟分析.pdf

文章编号0253 - 9993200302 - 0117 - 04 大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟分析 来兴平1,程文东1,刘占魁2 1 1 西安科技学院 能源科学与工程系,陕西 西安 710054 ; 21 包头钢铁学院 采矿工程系,内蒙古 包头 014010 摘 要为解决大倾角综采放顶煤技术难题,综合分析了大倾角特厚煤层综采放顶煤工作面关键 位置的煤岩力学性态、支架受力的模态、开采过程煤岩运动规律和应力分布规律.通过数值计算 和物理模拟分析了煤岩运动非稳态演化特征及力学性态,对大倾角特厚煤层综采放顶煤的开采寻 找提高采出率的技术提供了有力的佐证. 关键词大倾角综采放顶煤;支架受力;数值计算;开采岩移基本规律 中图分类号 TD823149 文献标识码 A 收稿日期 2002-04-28 基金项目国家自然科学基金资助项目50074002 ;内蒙古自然科学基金资助项目蒙990304 - 5 煤炭作为西部的主要能源,具有重要的经济与战略地位.西部地区赋存着大量的急斜特厚煤层厚度 大于10 m ,倾角大于45 的煤层 , 其地质构造复杂,开采困难. 20世纪80年代末期,我国先后在窑街矿 务局二矿和乌鲁木齐矿务局六道湾矿综采放顶煤试验成功后,放顶煤开采就成为这类煤层的主要采煤方 法,这种特殊的开采方法无疑是实现急斜特厚煤层开采高产、高效、高安全“三高”的有效途径[1 ,2]. 某矿综放工作面四煤层为矿井的主采煤层,沉积层位较稳定,煤岩结构为条带状和层状结构,较为单 一.煤层倾角29～35,煤层厚度816～2414 m ,平均厚度16143 m ,工作面走向长度600 m ,倾斜长度 112 m ,采高214～218 m ,初选支架为四柱、低位支架,宽度115 m ,高度117～310 m ,平均放顶煤高度 13163 m ,整个煤层埋深选定260～320 m.四煤层为发热量较高的优质动力用煤,且随着开采深度的增 加,煤质将会越来越好.四煤层的伪顶为黑色、深灰色泥岩和炭质泥岩,质软、易垮落,厚度为013～ 112 m;直接顶为深灰色粉砂岩和细砂岩,厚度7187～4715 m;老顶为深灰色、灰色细砂岩和粗砂岩,厚 度为6137～52163 m.四煤层的底板为灰色、灰黑色粉砂岩,坚硬稳固性好,厚度为2170～13137 m. 1 物理模拟实验分析 由于煤岩耦合运动是非稳态的过程,其断裂和失稳可以根据模拟实验、断裂统计力学进行预测预报. 图1 平面模型 Fig11 Plane model of physical simulation 根据相似原理,物理相似模拟实验分为走向和倾 向两种模型,分析内容主要包括①大倾角特厚 煤层综采放顶煤工作面初次来压步距与强度、周 期来压步距与强度,为液压支架合理选择和正确 确定工作阻力提供参考依据.②顶板“离层 破 断 失稳 垮落”非稳态演化过程以及煤岩运动 特征,包括顶煤垮落难易程度,煤体断裂块度, 高度,采空区充填情况,工作面过断层时和顶板 垮落时架前冒顶状况,支架侧向力的监测与控制. 图1为物理模拟的平面模型. 第28卷第2期煤 炭 学 报Vol. 28 No. 2 2003年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr. 2003 2 数值模拟分析 美国Itasca Consulting Group Inc.公司1986 年开发的拉格朗日法,成功地将流体力学中跟踪运动的拉格朗日法应用于解决岩体力学问题,并编制了 FLAC Fast Lagrangian Analysis of Continua软件.FLAC是连续介质显式有限差分程序,该程序的基本 原理和算法与离散元相似,但它应用了节点位移连续的条件,可以对大变形进行分析.主要用于模拟岩土 包括煤岩类材料的力学行为,特别是岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动.材料通过单元和区域 表示,根据研究对象的形状构成相应的网络结构.每个单元在外在和边界约束条件作用下,按照约定的线 图2 三维计算模型网格 Fig12 Grid of 3D computation model 性和非线性应力-应变关系产生力学响应,可模拟地质材料的高度 非线性包括应变软化和硬化、 不可逆剪切破坏和压密、黏弹性 蠕变空隙介质的流固耦合、热力耦合以及动力学行为等[3 ,4]. 为了全面、客观地反映综采放顶煤引起的采场围岩与支架受力 的力学性态以及煤岩的运动规律,采用三维有限差分计算模型,模 型沿走向长165 m ,沿倾斜宽240 m ,高度205 m.三维模型共划分 为80 836个单元, 89 881个结点图2 .模型侧面限制水平移动, 模型底面限制垂直移动,模型上部模拟上覆岩层的重量,计算采用 摩尔-库仑屈服准则.根据现场取样和岩石力学试验结果,考虑到 岩石的尺度效应,计算采用的岩体力学参数见表1. 表1 煤岩体力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock and coal 岩石名称容重/ kNm- 3弹性模量/ GPa剪切模量/ GPa抗拉强度/ MPa黏结力/ MPa内摩擦角/ 老 顶2418581041031081050 直接顶2410051821711011543 煤 层1410051011001111035 直接底2415061331631571052 老 底25100816517610101056 采空区垮落的矸石是一种松散介质,它对顶板支撑的力学作用可近似地用弹性支撑体表述,需要考虑 的是,随着工作面的推进和时间的增长,矸石在覆岩作用下逐步被压实,材料的密度ρkg/ m3、弹性模 量EMPa和泊松比υ随时间ta而增加.研究表明,θ,E和υ变化规律可由经验公式[5]表述,即 ρ1 4008001-e- 1125t , E 152001-e- 1125t , υ01050121-e- 1125t , 1 式1反映ρ,E和υ随时间呈指数增长的变化关系,最终达到恒值.研究区内的垂直主应力随深度线 性变化,考虑到构造应力的影响,水平主应力取垂直主应力的1175倍. 3 模拟计算过程 岩石力学研究与工程实践表明,岩体力学行为除了与本身的物理力学性质有关外,还与载荷状态和加 载历史有直接的关系,其发展变化是一个动态过程.事实上,岩体现时力学行为是整个开采历史过程中的 一个过渡状态,它既是对过去不同开采时期岩体状况叠加后的综合反映,也将对未来开采过程和结果产生 影响.欲从现在研究和预测将来煤岩运动演化的状况,必须追溯整个开采历史和开采过程,包括开采时 间、开采位置和采煤方法的系统模拟. 4 计算结果 根据开采时间上的顺序,将综采放顶煤过程划分为10个阶段进行计算研究.其中图3分别反映倾斜 811 煤 炭 学 报 2003年第28卷 剖面的力学特征;图4反映走向剖面上工作面下部的力学特征;图5为沿倾斜剖面工作面典型位置处的支 架受力情况. 图3 倾斜剖面的力学演化特征 Fig13 Mechanical evolvement character at gradient plane a水平应力场; b垂直应力场; c破坏场; d位移矢量场 图4 走向剖面上工作面下部的力学演化特征 Fig14 Mechanical evolutive character under the working face a水平应力场; b垂直应力场; c破坏场; d位移矢量场 图5 工作面关键位置支架的受力 Fig15 The supporting force of the key position at the working face 通过计算与实验分析发现①工作面过断层时出现 顶煤在架前垮落的现象,支架被压死,底煤被压呈现高 度塑性状态.支架有插底现象,在断层面处,架前垮落 更为严重,尤其被断层面割断的三角煤易滑落.②沿走 向正常推进时,顶部煤岩在支架顶梁中部断裂垮落,当 压力传递比较集中时,发生顶煤沿工作面煤壁切断,支 架被压死的现象,造成动力破坏.③沿倾斜方向支架承 受的顶板载荷中部较小,上部较大.特别是在中部支架 初撑时,易卸压,必须重新支撑,防止顶梁上的煤塌 落.顶部煤岩塌落形态为下部填实,中部局部充填,上 部悬空,由上向下呈“空 半空 实”的采空区充填结构,对应的应力状况为“强 中 弱”,这样容易 造成应力的集中与加速传递,极易造成动力破坏的隐患,因此应加强工作面煤岩体裂隙演化损伤过程与动 力破坏的监测与预报研究. 5 结 语 在大倾角综采放顶煤开采中,顶煤塌落控制分析与研究是一个技术难题.开采过程中煤岩运动呈动态 变化,采用数值模拟计算分析,其计算结果和现场实际相吻合,结合平面相似模拟分析,比较全面地给出 了工作面关键位置支架受力性态以及大倾角特厚煤层综采放顶煤工作面开采的岩层移动规律、应力分布规 911第2期来兴平等大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟综合分析 律,为大倾角特厚煤层综采放顶煤开采提高采出率提供了科学依据.另外,根据分析结果,结合现场实 际,进一步探索放顶煤工作面前方煤壁裂隙演化规律的“实时数字化监测-反馈-预测预报” [6]的研究以 及减少末采、端头损失和区段条带煤柱损失的技术途径. 研究过程中得到北京科技大学王金安教授的大力支持与帮助,在此表示诚挚的谢意. 参考文献 [1] 石平五.急斜大段高放顶煤矿压显现及围岩控制[J ].矿山压力与顶板管理. 1992 4 43～47. [2] 伍永平,柴 敬.大倾角综采放顶煤开采条件下开采裂隙非稳态演化规律的研究[A].中国岩石力学与工程学会第 七次学术大会论文集[C].北京中国科学技术出版社, 2002. 672～675. [3] 谢和平,周宏伟,王金安,等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J ].岩石力学与工程学报, 1999 , 18 4 397～401. [4] 尹光志,鲜学福,代高飞,等.大倾角煤层开采岩移基本规律的研究[J ].岩土工程学报, 2001 , 4 23 450～ 453. [5] 王金安,谢和平, Kwasniewski M A ,等.建筑物下厚煤层开采的三维数值分析[J ].岩石力学与工程学报, 1999 , 18 1 12～16. [6] 来兴平.基于非线性动力学采空区稳定性集成监测分析与预报系统研究及应用[D].北京北京科技大学, 2002. 作者简介 来兴平1972 - ,男,宁夏平罗人,博士后,副教授, 1993年毕业于西安矿业学院, 2002年于北京科技大学获博士 学位,现为北京科技大学采矿工程重点学科博士后,主要从事岩石力学与工程方面的研究工作,发表“Research on inspection of stability of subsiding area in composite rock - mass roadway”等论文40余篇.Tel 010 - 62390298 , E - mail lxptest sina1com. Hybrid uation on numerical computing and similar simulation of steep dip angle and top coal mining LAI Xing2ping1, CHENG Wen2dong1, LIU Zhan2kui2 11Dept. ofEnergy Science and Engineering ,Xi’an University of Science and Technology ,Xi’an 710054 China;21Dept.of Mining Engineering , Baotou Iron and Steel Institute, Baotou 014010, China Abstract To solve the key problem of the steep2grade angle and top coal mining , the essential rule has been synthetically uated including the mechanical character of rock and coal , the supporting force of the key position at the working face , coal and rock movement regular and stress evolvement character due to mining. By means of numerical computing and similar simulation , the non2stable evolvement character and mechanical character have been analyzed , these provide an important evidence to mine the steep dip angle , heavy thick coal mining. Key words the steep2grade angle and top coal mining; the supporting force ; numerical computing; essential rule of coal and rock movement due to mining 021 煤 炭 学 报 2003年第28卷