大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理的离散元分析.pdf

第2 7 卷 第 1 期 2 0 0 5 年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g Vl0 1 ． 2 7 NO ． 1 F e b ．2 0 0 5 大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与 破坏机理的离散元分析 王树仁 王金安 戴涌 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 应用 U D E C 2 D计算程序， 对某煤矿大倾角厚煤层综采放项煤的空 间效应及其放煤 机理进行 了数值模拟 ，揭示了在综放开采过程中采场覆岩与顶煤的移动规律及相应 的应力 场、破坏场的变化特征 ，并对控顶区项煤 的变形破坏特征及直接项的离层跨落步距进行 了 分析 ． 关键 词 大倾角厚煤层 ； 煤岩移动； 综采放项煤； 数值模拟 分类号T D8 2 3 ． 2 1 近年来 ，随着综 采放顶 煤技术 的进步 与提 高， 综放 应用范 围的不断扩大 ， 综采放顶 煤 已成 为我 国煤炭 系统实现矿井 高产高效的主 要途径 之一 ． 虽然 国内外 学者对综放过程煤岩移动及顶 煤破 坏规律等 问题进行 了大 量的理论分析 与实 验研究 ， 取得 了一定的成果， 但这些研 究工作主 要是针对缓倾斜近水平煤 层进行的” ， 而对 大倾 角煤层综放开采进 行的研究工作却相对较少 ． 目 前 ， 该领域 的许 多研 究工作 尚处于探索阶段 [ 2 - 5 ] ， 施工现场解决新问题 的方法仍主要靠经验类 比， 缺乏科学理论 的指 导． 大倾 角煤 层 由于煤 、岩层沉积结构的特 点， 造成了其显著的各向异性特征， 且倾角越大， 各 向异性越显著 ． 相 对于缓倾 斜近 水平煤 层开采 ， 大倾角煤 层综放开采有其特殊的矿压显现规律 、 地表沉陷与综放工艺特点． 因此 ， 对 影响因素多、 物理过程 复杂 的大倾角综放采场 的煤岩应力、 变 形与破坏规律进行研究 ， 不仅具有重要的理论价 值 ， 而且对现场实践也具有重要 的指导意义 ． 1 工程 概况 靖远某矿 四煤层为矿井的主采煤层 ， 沉积层 位较稳定 ， 煤层倾角为 2 9 - 3 5 。 ， 煤层厚度 8 ． 6 ～ 2 4 ． 4 m， 平均厚度 1 6 ． 4 3 m． 煤岩结构为单一条带状和 收稿 日期2 0 0 4 - 0 3 1 修回 日期 2 0 0 4 - 0 9 -- 2 8 基金项 目高等学校博士学科专项科研基金 N o ． 2 0 0 4 0 0 0 8 0 2 5 作者简介王树仁 1 9 6 8 ， 男， 工程师， 博士研究生 层状结构 ． 四煤层的伪顶为黑色 、 深灰色泥岩和 炭质泥岩 ， 质 软， 易冒落 ， 厚度为 0 ． 3 - 1 ． 2 m； 直接 顶为深灰色粉砂岩和细砂岩 ，厚度为 7 ． 8 7 - 4 7 ． 5 m； 老 顶为深灰色 、 灰色细砂岩和粗砂岩 ， 厚度为 6 ． 3 7 - 5 2 ． 6 3 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 2 ． 7 0 - 1 3 ． 3 7 m． 井 田内 四煤层 为低硫、 低磷 、 低灰分、 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 ． 该矿 四煤层综放面走 向长度为 6 0 0 m，倾斜 长度 1 1 2 m，采高 2 ． 2 ． 8 m，初选支架类型为四 柱、 低位 支架 ， 宽度 1 ． 5 m， 高度 1 ． 7 - 3 ． 0 m， 平均放 高为 1 3 ． 6 3 m， 整个煤层埋深为2 6 0 - 3 2 0 m． 试采煤 层倾 角约为 3 0 。 ，试 采成功后将开采该矿倾 角为 4 2 。 的煤层 ． 2 计算模型及参数 为 了对大倾角厚煤层综放面的煤 岩 变形、 破坏特征及破坏机理进行研究 ， 采用U DE C 2 D计 算程序 ， 以靖远某矿 四煤 层的综放 面为工程 背 景， 分别构建沿煤层走向和沿煤层倾向的计算模 型， 如 图 1 所示． 综采面下部水平布置 ， 上部沿煤 层倾 向布置 ， 如图 1 b 所示 ． 因此 ， 该综放 面兼有 水平开采和倾斜开采 的特 点， 综放采场 的煤岩应 力 、 变 形与破坏规律将具有新 的特色 ． 为了模拟在综放过程 中， 随着综采 面的不断 向前推进 ， 四煤 的顶板离层跨落过程 ， 构建如 图 维普资讯 6 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 1 期 2所示沿煤层走 向的计算模型 ． 模型两侧面 限制 水平移动 ， 模型底面 限制垂直移动 ， 模型上部模 拟上覆岩重 ， 计算采用 莫尔一 库仑 屈服准则． 根据现场 取样 和岩石力学实验结果 ， 并考虑 到岩石 的尺度效应 ， 计算采用 的岩体力学参数见 表 1 ． 图 1计算模型 1 F i g ． 1 Co mpu t a t i o n mo d e l No ． 1 图 2计算模型 2 Fi g ． 2 Co m p u t a t i o n mo d e l No ． 2 表 1岩体力学参数表 T a bl e 1 M e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f r o c k ma s s 3 计算结果分析 3 ． 1综放面顶煤 与顶板应 力场特征 由图3 a 可见 ， 综放过程中， 顶煤及顶板除受 自重场 的作用外， 还要承受 因采 动及顶板弯 曲下 沉而形成 的附加应力场 的作用 ． 随着工作面 向前推进 ， 在煤壁前方一定距离 内， 顶煤及顶板 内最大主应力增至峰值后缓慢衰 减 ．在工作面煤 壁前方及后 方采空 区顶 板触矸 处 ， 煤层顶板 内最大主应力形成一大一小 明显的 两个随工作面不断前移的动态应力峰值 ， 即双峰 应 力． 另外 ， 综采支 架上方控顶区顶煤的主应力 随应变能的耗散而显著 降低 ． 沿煤层倾 向在综采 面顶板 内产 生了明显的卸压区 如 图3 b 所示 ， 随着最大主应力向实体煤岩 内部的转移 ， 在综采 面 的两端头形成 明显的两个峰值应力． 3 ． 2 综放面 顶煤与顶板位移场特征 从 图 4位移矢量场 图中可看 出， 支 架上方的 顶煤产生了垂向位移与水平位移的复合运动， 顶 板岩层 的移动具有 明显的悬臂梁弯 曲下沉特 征． 从顶煤 及顶板位移变化 曲线 图 5 可见，由 于受采 动及 顶板弯 曲下沉的影响， 顶煤及顶板位 移起 始于煤壁前方较远 的位置 ． 综采过程 中， 顶 板弯 曲下沉 的特征较 明显． 在支架上方 ， 顶煤 的 a 沿煤层走向剖面 b 沿煤层倾向剖面 图3 采场最大主应力变化曲线图 F i g ． 3 Ma j o r p r i n c i p a l s t r e s s c u r v e s in t h e mi n i n g fi e l d 水平位移较大 ， 直到采面支架后部位置 附近 ， 顶 煤 的水平位移与垂直位移都剧增至最大值， 与最 终发生顶煤散体跨落 的实际情况吻合 ． 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o ． 1 王树仁等 大倾角厚煤层综放开采顶煤移 动规律与破坏机理的离散元分析 7 图4沿煤层走向采场位移矢量场图 F i g ． 4 Di s p l a c e me n t v e c t o r s io n t h e l o n g i t u d i n a l s e c ti o n 一 。 。 椰佣 怖『 『 啊 丌 T 1 h 卜 一 ． r__ 、 一 “ L u 町 m ． 一 u 上 u I 。 I 1 J 廊 a 水平位移曲线 b 垂直位移 曲线 图 5沿煤层走向顶煤及顶板位移曲线 图 F i g ． 5 Disp l a c e me n t c u r v e s o f c o a l a n d r o c k o n t h e l o n g i t u d i n a l s e c t i o n 综放推进过程 中， 采场覆岩的沉 降凹陷具有 明显的不对称特征 ，最大沉降偏 向采 区下山一 侧 ， 如 图 6所示 ． 图 6沿煤层倾 向顶煤及顶板垂 向位 移曲线图 F i g ． 6 V e r t i c a l d is p lac e me n t c u rve s o f c o a l a n d r o c k o n t h e t r a n s v e r s a l s e c t i o n 3 ． 3 综放面顶煤与顶板破坏场特 征 由图7中可 以看 出， 在支撑压力作用下 ， 支架 上方靠近采空区侧的顶煤首先发生张拉性破坏 ． 随着顶板 的不断下沉， 压剪破坏区不断 向煤体 内 部扩展 ． 在煤壁前方与支架上方煤体内可以见到 有明显 的压剪楔形滑移 带的分布 ． 煤壁前方与支 架上方煤体架 后部附近 的煤体呈现 出张拉破坏 现 象． 3 ． 4 综放采场顶板离层垮落分析 由图 8和图 9中可见 ， 大倾角综放面沿煤层 走 向推进 到距 离切 眼约 3 2 m 处，直接顶离层垮 落， 垮落步距约为 2 0 2 5 m． 从顶板离层位移变化 曲线 图中可看出， 直接顶产生最大水平位移与最 图 7采场 顶煤及顶板塑性 区图 F i g ． 7 P l a s ti c z o n e s o f c o a l a n d r o c k i n t h e mini n g fi e l d 丌 町 丽唧砸If 硼 丽 __ -Il一． 蓬 。。。’。 图 8沿煤层走向顶煤破坏场及顶板水平位移 图 F i g ． 8 Ho r i z o n t a l d is p lac e me n t c u rve s a n d f a il u r e o f c o a l a n d r o c k o n t h e I o n g i t u dina l s e c tio n 图 9沿煤层走 向顶煤破坏场及顶板垂直位移图 F i g ． 9 Ho r i z o n tal d isp lac e me n t c u rv e s a n d f a i l u r e o f c o a l a n d r o c k o n th e t r a n s v e r s a l s ec t i o n 维普资讯 8 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 1 期 大垂直位移值 的点位 于距 切眼 2 0 - 2 5 m之间，验 证 了直接顶垮落 的步距约为 2 0 - 2 5 m这一结论． 4 结论 1 在综放面煤壁前方及后方采空区顶板触 矸 处， 煤层顶板 内最大主应 力形成两个 随工作面 不断前移 的动态应力峰值 ，即双峰应力 ． 综采支 架上 方控顶 区顶煤 的主应力 随应 变能 的耗 散而 显著 降低 ． 2 沿煤层走 向， 由于受采动及顶板弯 曲下沉 的影响 ， 顶煤及顶板位 移起 始于煤壁前方较远 的 位置 ． 在支架上方， 顶煤 的水平位移较大； 到采面 支架后部位置附近 ， 顶煤的水平位移 与垂直位移 都增至最大值 ． 沿煤层倾 向， 采场覆岩 的沉 降凹 陷具有 明显 的不对称特 征 ， 最大沉 降偏 向采 区下 山一侧 ． 3 在支撑压力作用下 ， 支架上方靠近采空 区 侧 的顶煤首先发生张拉性破坏． 随着顶板 的不断 下沉 ， 压剪破坏 区不断 向煤体 内部扩展 ． 在煤壁 前方 与支架 上方煤体 内有 明显 的压剪楔 形滑移 带分布 ． 煤壁表层 与支架后部附近 的煤体 呈现 出 张拉破坏现象 ． 4 大倾角综放面沿煤层走 向推进到距离切 眼约 3 2 m 处 ，直接顶离层垮落 ，垮落步距约 为 2 0 - 2 5 m． 在顶板 离层位移变化 曲线 中， 直接顶产 生最大水平位 移与最 大垂直位 移值 的点位于距 切 眼 2 0 - 2 5 m之 间，验证 了直接顶垮落 的步距约 为 2 0 - 2 5 m这一结论 ． 参 考 文 献 [ 1 】尹光志， 鲜学福， 待高飞， 等． 大倾角煤层开采岩移基本规 律的研究． 岩土工程学报， 2 0 0 1 ， 2 1 4 4 5 0 [ 2 】陈忠辉， 谢和平， 王家臣． 综采放顶煤三维变形、 破坏的数 值分析． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 2 ， 2 1 3 3 0 9 [ 3 】 钱鸣高， 石平五、 矿 山压力与岩层控制． 徐州 中国矿业大 学 出版社， 2 0 0 3 ． 3 6 1 [ 4 】 杨硕． 采动损害空间变形力学预测． 北京煤炭工业出版 社 ， 1 9 9 4 [ 5 】 王树元． 岩层与地表移动预计方法． 北京 煤炭工业出版 社， 1 9 8 9 [ 6 】U D E C 2 D 3 ． 0 U s e r ‘S Ma n u a l I t a s c a ． Mi n n e s o t a C o n s u l t i n g G r o u p ， I nc ，1 9 96 Di s t i n c t e l e me n t a n a l y s i s o n c o a l mo v e me n t l a w a n d f a i l u r e me c h a n i s m d uri n g me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g i n s t e e p t h i c k s e a m W ANG S h u r e n ，W ANGJ i n a n ， DAI Y o n g C iv i l and E n v ir o n me n ta l E n g in e e r i n g S c h o o l ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y B e ij in g ， B e ij in g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ABS TR AC By u s i n g UDEC 2 D t e c h n i q u e ， t h i s p a p e r a n a l y z e d c o a l an d r o c k mo v e me n t l a ws ，t h e d e f o r ma t i o n an d f a i l u r e c h a r a c t e ri s t i c s o f c o a l and t h e ma j o r p ri n c i p a l s t r e s s in t h e p r o c e s s o f t o p c o a l c a v in g in s t e e p t h i c k s e a m． T h e f a i l ure me c h a n i s m o f c o a l and t h e mo v e me n t tr e n d o f r o c k o n t h e t o p ． c o a l c a v i n g wo r k i n g f a c e we r e d i s c u s s e d ． Th e r e s u l t s s h o we d a g r e e me n t wi t h t h e fi e l d c o n d i t i o n s ， wh i c h i s o f i mp o r t an t t h e o r e t i c a l me an i n g t o d i r e c t t h e p r a c t i c e i n t h e s i mi l ar e n g i n e e ri n g ． KEY W ORDS s t e e p t h i c k s e a m； c o a l a n d r o c k mo v e me n t ； me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g ； mu me r i c a l s i mu l a t i o n 维普资讯