大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理离散元分析

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1、第卷第期北京科技大学学报匕】一年月艳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,北京摘要应用计算程序,对某煤矿大倾角厚煤层综采放顶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,并对控顶区顶煤的变形破坏特征及直接顶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顶煤数值模拟分类号近年来,随着综采放顶煤技术的进步与提层状结构四煤层的伪顶为黑色、深灰色泥岩和,,,,,一高综放应用范围的不断扩大综采放顶煤己成炭质泥岩质软易冒落厚度为直接为我国煤炭系统实现矿井高产

2、高效的主要途径顶为深灰色粉砂岩和细砂岩,厚度为一之一虽然国内外学者对综放过程煤岩移动及顶老顶为深灰色、灰色细砂岩和粗砂岩,厚度为煤破坏规律等问题进行了大量的理论分析与实一四煤层的底板为灰色、灰黑色粉砂验研究,取得了一定的成果,但这些研究工作主岩,坚硬稳固性好,厚度为一井田内‘,,,、、、要是针对缓倾斜近水平煤层进行的而对大倾四煤层为低硫低磷低灰分发热量较高的优质,,角煤层综放开采进行的研究工作却相对较少目动力用煤且随着开采深度的增加煤质将会越,价,,,前该领域的许多研究工作尚处于探索阶段来越好施工现场解决新问题的方法仍主要靠经验类比,该矿四煤层综放面走向长度为,倾斜缺乏科学理论的指导长度,采

3、高名,初选支架类型为四、,、,,,大倾角煤层由于煤岩层沉积结构的特点柱低位支架宽度高度平均放,,,一造成了其显著的各向异性特征且倾角越大各高为整个煤层埋深为试采煤,,向异性越显著相对于缓倾斜近水平煤层开采层倾角约为试采成功后将开采该矿倾角为大倾角煤层综放开采有其特殊的矿压显现规律、的煤层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、变计算模型及参数,形与破坏规律进行研究不仅具有重要的理论价为了对大倾角厚煤层综放面的煤岩变形、,值而且对现场实践也具有重要的指导意义,破坏特征及破坏机理进行研究采用计〔,,算程序以靖远某矿四煤层的综放面为工程背工程概况景,分别构

4、建沿煤层走向和沿煤层倾向的计算模,,,型如图所示综采面下部水平布置上部沿煤靖远某矿四煤层为矿井的主采煤层沉积层层倾向布置,如图所示因此,该综放面兼有,一,一位较稳定煤层倾角为煤层厚度水平开采和倾斜开采的特点,,综放采场的煤岩应平均厚度煤岩结构为单一条带状和力、变形与破坏规律将具有新的特色收稿日期刁修回日期今刁,为了模拟在综放过程中随着综采面的不断。基金项目高等学校博士学科专项科研基金伽,,作者简介王树仁一,男,工程师,博士研究生向前推进四煤的顶板离层跨落过程构建如图北京科技大学学报‘年第期所示沿煤层走向的计算模型模型两侧面限制,根据现场取样和岩石力学实验结果并考虑,,水平移动模型底面限制垂直

5、移动模型上部模,到岩石的尺度效应计算采用的岩体力学参数见,一拟上覆岩重计算采用莫尔库仑屈服准则表图计算模型图计算模型··啥皿加表岩体力学参数表五,加一“岩石名称容重承体积模量切变模量抗拉强度肥粘结力内摩擦角老顶气曰、︸、︼︸﹃‘妇气气,︶,直接顶四煤层直接底老底计算结果分析综放面顶煤与顶板应力场特征由图可见,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研,处煤层顶板内最大主应力形成一大一小明显的,即两个随工作面不断前移的动态应力

6、峰值双峰应力另外,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伪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综放面顶煤与顶板位移场特征,从图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图采场最大主应力变化曲线图板岩层的移动具有明显的悬臂梁弯曲下沉特征,,活加恤血从顶煤及顶板位移变化曲线图可见,由,,,于受采动及顶板弯曲下沉的影响顶煤及顶板位水平位移较大直到采面支架后部位置附近顶,,移起始于煤壁前方较远的位置综采过程中顶煤的水平位移与垂直位移都剧增至最大值与最,板弯曲下沉的特

7、征较明显在支架上方顶煤的终发生顶煤散体跨落的实际情况吻合】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综放面顶煤与顶板破坏场特征由图中可以看出,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综放采场顶板离层垮落分