大傾角厚煤層綜放開采頂煤移動規(guī)律與破壞機(jī)理離散元分析

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1、第卷第期北京科技大學(xué)學(xué)報匕】一年月艷大傾角厚煤層綜放開采頂煤移動規(guī)律與破壞機(jī)理的離散元分析王樹仁王金安戴涌北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京摘要應(yīng)用計算程序,對某煤礦大傾角厚煤層綜采放頂煤的空間效應(yīng)及其放煤機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了在綜放開采過程中采場覆巖與頂煤的移動規(guī)律及相應(yīng)的應(yīng)力場、破壞場的變化特征,并對控頂區(qū)頂煤的變形破壞特征及直接頂?shù)碾x層跨落步距進(jìn)行了分析關(guān)鍵詞大傾角厚煤層煤巖移動綜采放頂煤數(shù)值模擬分類號近年來,隨著綜采放頂煤技術(shù)的進(jìn)步與提層狀結(jié)構(gòu)四煤層的偽頂為黑色、深灰色泥巖和,,,,,一高綜放應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大綜采放頂煤己成炭質(zhì)泥巖質(zhì)軟易冒落厚度為直接為我國煤炭系統(tǒng)實現(xiàn)礦井高產(chǎn)

2、高效的主要途徑頂為深灰色粉砂巖和細(xì)砂巖,厚度為一之一雖然國內(nèi)外學(xué)者對綜放過程煤巖移動及頂老頂為深灰色、灰色細(xì)砂巖和粗砂巖,厚度為煤破壞規(guī)律等問題進(jìn)行了大量的理論分析與實一四煤層的底板為灰色、灰黑色粉砂驗研究,取得了一定的成果,但這些研究工作主巖,堅硬穩(wěn)固性好,厚度為一井田內(nèi)‘,,,、、、要是針對緩傾斜近水平煤層進(jìn)行的而對大傾四煤層為低硫低磷低灰分發(fā)熱量較高的優(yōu)質(zhì),,角煤層綜放開采進(jìn)行的研究工作卻相對較少目動力用煤且隨著開采深度的增加煤質(zhì)將會越,價,,,前該領(lǐng)域的許多研究工作尚處于探索階段來越好施工現(xiàn)場解決新問題的方法仍主要靠經(jīng)驗類比,該礦四煤層綜放面走向長度為,傾斜缺乏科學(xué)理論的指導(dǎo)長度,采

3、高名,初選支架類型為四、,、,,,大傾角煤層由于煤巖層沉積結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)柱低位支架寬度高度平均放,,,一造成了其顯著的各向異性特征且傾角越大各高為整個煤層埋深為試采煤,,向異性越顯著相對于緩傾斜近水平煤層開采層傾角約為試采成功后將開采該礦傾角為大傾角煤層綜放開采有其特殊的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、的煤層地表沉陷與綜放工藝特點(diǎn)因此,對影響因素多、物理過程復(fù)雜的大傾角綜放采場的煤巖應(yīng)力、變計算模型及參數(shù),形與破壞規(guī)律進(jìn)行研究不僅具有重要的理論價為了對大傾角厚煤層綜放面的煤巖變形、,值而且對現(xiàn)場實踐也具有重要的指導(dǎo)意義,破壞特征及破壞機(jī)理進(jìn)行研究采用計〔,,算程序以靖遠(yuǎn)某礦四煤層的綜放面為工程背工程概況景,分別構(gòu)

4、建沿煤層走向和沿煤層傾向的計算模,,,型如圖所示綜采面下部水平布置上部沿煤靖遠(yuǎn)某礦四煤層為礦井的主采煤層沉積層層傾向布置,如圖所示因此,該綜放面兼有,一,一位較穩(wěn)定煤層傾角為煤層厚度水平開采和傾斜開采的特點(diǎn),,綜放采場的煤巖應(yīng)平均厚度煤巖結(jié)構(gòu)為單一條帶狀和力、變形與破壞規(guī)律將具有新的特色收稿日期刁修回日期今刁,為了模擬在綜放過程中隨著綜采面的不斷?；痦椖扛叩葘W(xué)校博士學(xué)科專項科研基金伽,,作者簡介王樹仁一,男,工程師,博士研究生向前推進(jìn)四煤的頂板離層跨落過程構(gòu)建如圖北京科技大學(xué)學(xué)報‘年第期所示沿煤層走向的計算模型模型兩側(cè)面限制,根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學(xué)實驗結(jié)果并考慮,,水平移動模型底面限制垂直

5、移動模型上部模,到巖石的尺度效應(yīng)計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見,一擬上覆巖重計算采用莫爾庫侖屈服準(zhǔn)則表圖計算模型圖計算模型··啥皿加表巖體力學(xué)參數(shù)表五,加一“巖石名稱容重承體積模量切變模量抗拉強(qiáng)度肥粘結(jié)力內(nèi)摩擦角老頂氣曰、︸、︼︸﹃‘婦氣氣,︶,直接頂四煤層直接底老底計算結(jié)果分析綜放面頂煤與頂板應(yīng)力場特征由圖可見,綜放過程中,頂煤及頂板除受自重場的作用外,還要承受因采動及頂板彎曲下沉而形成的附加應(yīng)力場的作用,隨著工作面向前推進(jìn)在煤壁前方一定距離,內(nèi)頂煤及頂板內(nèi)最大主應(yīng)力增至峰值后緩慢衰減在工作面煤壁前方及后方采空區(qū)頂板觸研,處煤層頂板內(nèi)最大主應(yīng)力形成一大一小明顯的,即兩個隨工作面不斷前移的動態(tài)應(yīng)力

6、峰值雙峰應(yīng)力另外,綜采支架上方控頂區(qū)頂煤的主應(yīng)力隨應(yīng)變能的耗散而顯著降低沿煤層傾向在綜采,面頂板內(nèi)產(chǎn)生了明顯的卸壓區(qū)如圖偽所示隨著最大主應(yīng)力向?qū)嶓w煤巖內(nèi)部的轉(zhuǎn)移,在綜采面的兩端頭形成明顯的兩個峰值應(yīng)力綜放面頂煤與頂板位移場特征,從圖位移矢量場圖中可看出支架上方的,頂煤產(chǎn)生了垂向位移與水平位移的復(fù)合運(yùn)動頂圖采場最大主應(yīng)力變化曲線圖板巖層的移動具有明顯的懸臂梁彎曲下沉特征,,活加恤血從頂煤及頂板位移變化曲線圖可見,由,,,于受采動及頂板彎曲下沉的影響頂煤及頂板位水平位移較大直到采面支架后部位置附近頂,,移起始于煤壁前方較遠(yuǎn)的位置綜采過程中頂煤的水平位移與垂直位移都劇增至最大值與最,板彎曲下沉的特

7、征較明顯在支架上方頂煤的終發(fā)生頂煤散體跨落的實際情況吻合】王樹仁等大傾角厚煤層綜放開采頂煤移動規(guī)律與破壞機(jī)理的離散元分析綜放面頂煤與頂板破壞場特征由圖中可以看出,在支撐壓力作用下,支架上方靠近采空區(qū)側(cè)的頂煤首先發(fā)生張拉性破壞,隨著頂板的不斷下沉壓剪破壞區(qū)不斷向煤體內(nèi)部擴(kuò)展在煤壁前方與支架上方煤體內(nèi)可以見到有明顯的壓剪楔形滑移帶的分布煤壁前方與支架上方煤體架后部附近的煤體呈現(xiàn)出張拉破壞現(xiàn)象綜放采場頂板離層垮落分