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《大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第28卷第2期煤炭学报Vol.28No.22003年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2003文章编号:0253-9993(2003)02-0117-04大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟分析112来兴平,程文东,刘占魁(11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
2、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10m,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[1,2]法,这种特殊的开采方法无疑是实现急斜特厚煤层
3、开采高产、高效、高安全(“三高”)的有效途径.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816～2414m,平均厚度16143m,工作面走向长度600m,倾斜长度112m,采高214～218m,初选支架为四柱、低位支架,宽度115m,高度117～310m,平均放顶煤高度13163m,整个煤层埋深选定260～320m.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～
4、112m;直接顶为深灰色粉砂岩和细砂岩,厚度7187～4715m;老顶为深灰色、灰色细砂岩和粗砂岩,厚度为6137～52163m.四煤层的底板为灰色、灰黑色粉砂岩,坚硬稳固性好,厚度为2170～13137m.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.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
5、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平面模型图1为物理模拟的平面模型.Fig11Planemodelofphysicalsimulation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)118煤炭学报2003年第28卷2数值模拟分析美国ItascaConsultingGroupInc.公司1986年开发的拉格朗日法,成功地将流体力学
6、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(FastLagrangianAnalysisofContinua)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
7、化)、不可逆剪切破坏和压密、黏弹性[3,4](蠕变)空隙介质的流固耦合、热力耦合以及动力学行为等.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165m,沿倾斜宽240m,高度205m.三维模型共划分为80836个单元,89881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,计算采用图2三维计算模型网格摩尔-库仑屈服准则.根据现场取样和岩石力学试验结果,考虑到Fig12Gridof3Dcomputationmodel岩石
8、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Table1Mechanicalparametersofrockandcoal岩石名称容重/kN·m-3弹性模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/
