采空区注氮软件模拟及开发研究_王月红.pdf

采空区注氮软件模拟及开发研究 王月红1， 2，吴怡1， 2，张九零1， 2，关雅洁1， 2 1. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009; 2. 河北省矿山开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009 ［ 摘 要］为了防止采空区遗煤自燃，基于有限体积法，建立采空区注氮氧浓度场、温度场数 学模型，利用 VB 语言编制采空区注氮解算系统，开发软件。模拟研究采空区注氮前后温度场、氧浓 度场的变化规律。结果表明 在氧浓度场中，采空区注氮后，氧化带宽度变窄并向工作面方向推进， 并出现氧浓度急剧下降的凹点。在温度场中，注氮前后的采空区深部温度差较大，由 70℃ 降低到 40℃，且采空区温度与深度呈正比例关系。注氮后，采空区深部温度明显降低，且最高温度集中于回 风巷深部附近。最后通过现场工程应用验证了研究结果，为以后煤层自燃治理提供技术支持。 ［ 关键词］注氮; 温度场; 氧浓度场; 数值模拟 ［ 中图分类号］ TD752［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201806- 0006- 06 Study of Simulation and Development of Goaf Nitrogen Injecting Software WANG Yue- hong1， 2，WU Yi1， 2，ZHANG Jiu- ling1， 2，GUAN Ya- jie1， 2 1. Mine Engineering School，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China; 2. Hebei Province Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology，Tangshan 063009，China Abstract In order to prevent coal spontaneous combustion in goaf，based on finite volume ，and mathematics model of goaf Nitrogen and oxygen injecting concentration field，temperature field were built，and also calculating system of goaf nitrogen injecting system was finished by VB language，and software was developed，and the oxidizing zone width was narrow down and advanced to working face direction，and dent mark of oxygen concentration decreased sharply appeared. In temperature field，after nitrogen injec- ted，deep temperature difference of goaf was larger，and decreased from 70℃ to 40℃，the relationship between goaf temperature and depth appeared as direct proportion. After nitrogen injected，and temperature in depth of goaf decreased obviously，and the largest temperature appeared in depth of air return roadway. And studying results was verified by practical，and provided technology support for future coal seam consumption control. Key words nitrogen injecting; temperature field; oxygen concentration field; number simulation ［ 收稿日期］ 2018－05－29［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 06. 002 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目 51504077、51404086 ; 河北省自然科学基金资助项目 E2016209056 ; 华北理工大学杰出青年基金 jp201509，JQ201710 ［ 作者简介］ 王月红 1980－ ，女，河北唐县人，博士，副教授，主要从事于煤化学、煤岩学以及矿山安全等方面工作。 ［引用格式］ 王月红，吴怡，张九零，等 . 采空区注氮软件模拟及开发研究 ［J］． 煤矿开采，2018，23 6 6－11，64. 由于采空区中存在的大量遗煤和适宜漏风环境 为煤氧化创造了条件，增大了自燃的危险性 ［1 ］。 而注氮作为防治遗煤自燃的有效措施之一，它具有 稀释采空区氧浓度、冷却遗煤、增大采空区压力、 减少漏风量、延长自然发火期等优点，近年来被广 泛应用 ［2－5 ］。 由于数值模拟成本低廉，只需在计算机上进行 模拟和数据处理，有时可达到理想化克服现场的困 难。国内外学者关于模拟采空区注氮技术的成果很 多。在模拟漏风流场和温度场中，李宗祥 ［6－7 ］针对 Y 形通风的工作面，综合各种传热方程，并对模型 参数及边界设计后进行注氮问题的数值模拟，得到 了各种气体 瓦斯、CO、氧气等 、温度和漏风流 的分布情况及变化规律，并且计算出了注氮与工作 面推进速度的配比关系。美国学者 Yuan 等 ［8 ］根据 CFD 模型研究采空区漏风流场变化规律，并通过 研究结果完善现场通风技术，控制灾害的发生。罗 新荣 ［9 ］采用 Fluent 软件建立物理模型和数学模型， 设置相应的参数，并根据采空区渗透率和遗煤氧化 范围编制自定义函数，模拟不同抽采量和注氮形式 对采空区温度场的影响规律。在关于注氮前后氧浓 度的变化规律上，刘玉良 ［10－11 ］将理论和数值模拟 结合对浅埋深煤层注氮技术进行研究，比较了注氮 前后 “氧化带”的范围。澳大利亚学者 Ren［12 ］利 用软件模拟详细研究了瓦斯的运移规律和氧浓度分 布情况，并结合理论知识控制自然发火问题。唐冠 楚 ［13－15 ］在 CFD 模型下，模拟不同的抽采方式与注 氮技术相结合自燃危险区域的分布情况，在瓦斯抽 采效率提高的同时防止采空区遗煤自燃的发生。 但是，国内外均用流体动力学软件进行模拟， 6 第 23 卷 第 6 期 总第 145 期 2018 年 12 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 6 Series No. 145 December2018 ChaoXing 不能更针对性地研究采空区注氮防灭火技术。笔者 基于有限体积法，利用 VB 语言编制注氮防灭火模 拟系统，通过 Tecplot 软件作为图显，进行温度场 和氧浓度场的模拟。利用编制的软件模拟采空区注 氮，减少了现场的大量实验，应用于各种类型下的 采空区注氮问题。 1理论基础 在采煤工作持续进行中，工作面向前推进，相 对区域也持续扩大，因此选取一部分采空区作为研 究对象，引入动态坐标。在注入氮气后，采空区气 体压力、氧气浓度、温度均会产生影响。基于有限 体积法建立数学模型，利用数学语言对实际问题进 行定量化，使指标体系可计算。 1. 1有限体积法 有限体积法 FVM是将计算区域划分为一 系列不重复的控制体积，使每个网格点周围有一个 控制体积; 将待解的微分方程对每一个控制体积积 分，然后对积分式进行离散化处理，再导出离散化 方程。 有限体积法在流体流动和传热数值计算领域被 广泛应用，与其他有限元和边界方法比较，其基本 思想简洁，能够在物理意义上表示控制体的通量平 衡，建立的模型方程意义明确。因此，将有限体积 法应用到采空区注氮防灭火的模型构建上，为解决 矿井火灾易复燃、难扑灭等问题提供了有效支撑。 1. 2采空区注氮氧浓度场数学模型 根据质量守恒定律 在单位时间内，漏风风流 通过任意封闭区域内氧气质量的变化量 WC主 要由以下几个方面引出 由于渗透风流中的氧气流 出与流入任意封闭曲面之差 W1 ;氧气消耗量 W2 ; 浓度差异引起的弥散进出任意封闭曲面的 氧气之差 W3 ，如公式 1 ， 2 ， 3 所示。 WC W 1 W 2 W 3 1 W1 F ρO2v →dS ∮ Γ ρ O2vxdy －ρO2vydx 2 W2 F u t dS 3 因为在采空区存在气体的动力弥散现象，所以 氧气的扩散系数与风流速度大小成正比，故 W3 W3－ kO2∮ Γ nv  ρxO2  x dy －  ρyO2  y dx 4 WC  F  nρO2  t dS  F ρ O2  n  t dS n  ρO2  t dS 5 即将式 2 ， 3 ， 4以及 5代入 1 得 ∮ Γ ρ O2vx dy － ρO2vydx － kO2∮ Γ nv  ρO2  x dy －  ρO2  y dx  F u t dS  F ρ O2  n  t dS n  ρO2  t dS 6 在实际情况中，氧气流动速率要大于采空区工 作面的回采速度，即单位时间内选取的微元 ΔS 内 的孔隙率和氧气密度变化可以忽略不计，即式 6可变成 ∮ Γ ρ O2vxdy －ρO2vydx － kO2∮ Γ nv  C O2  x dy －  C O2  y dx  F u t dS 0 7 为了和 Fick 动律保持一致，将 7式中质量 浓度改为摩尔浓度。 ∮ Γ CO2vxdy － CO2vydx － k O2∮ Γ nv C O2 x dy － C O2 y dx  F μ t dS 0 8 式中，n 为有效孔隙度;ρO2为氧气的密度，kg/ m3; CO2为氧气的浓度，mol/m3;kO2为氧气的扩散 系数常数; vx为 x 方向气体渗流速度，m/s; vy为 y 方向气体渗流速度，m/s;v 为气体的渗流速度， m/s; u t为松散煤体内的氧气消耗速度，mol/ sm3 。 确定边界条件 Γ1，Γ2，Γ3，Γ4后，得到氧浓 度场的数学模型，如 9所示。 ∮ Γ CO2vxdy － CO2vydx － nkO2v∮ Γ  C O2  x dy －  C O2  y dx  F u t dS 0 CO2 Γ 1下 CO2 x，y x，y∈Γ 1下 dCO2 dy Γ2，Γ3 0 dCO2 dx Γ 1上，Γ 4 0          9 式中，CO2 x，y 为回采工作面连接的边界上的 氧气浓度函数，mol/m3。 根据模型可以分析出氧浓度在注氮整个过程中 的变化，从而研究出注氮对采空区火灾的影响作 用。 1. 3采空区注氮温度场数学模型 在采空区中，除了岩石间导热的过程外，还有 气体与气体间互相导热，它们导热的方式是有区别 的，除此之外，固体间的导热还会受到气体的影 响，因此在采空区注氮模型中的温度场分为固体温 度场和气体温度场。 1. 3. 1固体温度场 在一定的时间内，导入和导出冒落岩石的热量 差 Qsc、冒落岩石氧化放热的热量差 Q f之和，也就 是进入控制体的热量，应该与导出控制体的热量相 等，也就是冒落岩石及孔隙中气体的对流换热量 7 王月红等 采空区注氮软件模拟及开发研究2018 年第 6 期 ChaoXing Qd和冒落岩石移动带出控制体的热量差 Qv之和。 即为公式 10所示。 Qsc Q f Q d Q v 10 由傅里叶定律得知，由边界 Γ 流入曲面 F 全 部热量 Qsc Qsc F k  T  n dΓ 11 式中，k 为渗透率，m2。 单位时间内控制体的氧化放热量为 Qf F q t dS 12 在松散煤体内同时存在对流换热和导热两种过 程，这两种热量传递方式也相互影响，同时还受气 体运动规律的影响，因此这是一个十分复杂的过 程，利用牛顿冷却公式进行计算，如公式 13 所示。 Qd F KeSnts － t g dS  F Kea ts － t g dS 13 Qv∮ Γ 1 － n csρsv0tsdy 14 将式 11 ， 12 ， 13 ， 14代入式 10 得 ∮ Γ qxdy － qydx  F q t dS  F Kea ts － t g dS ∮ Γ 1 － n csρsv0tsdy 15 根据傅里叶定律可知 qxλy1 － n  t s  x qyλy1 － n  t s  y        16 将式 16代入 15 得 ∮ Γ λy1 － n  t s  x dy －  t s  y dx  F q t dS －  F Kea ts － t g dS －∮ Γ 1 － n csρsv0tsdy 0 17 式中，λy为采空区冒落岩石的导热系数，W/ m ℃ ; ts为冒落岩石温度，K; qx为沿 x 轴方向的 热流通量; qy为沿 y 轴方向的热流通量; Ke为对流 换热系数，J/ m2sK ;Sn为单元体内冒落岩 石与气体对流换热的表面积，m2;tg为气体温度， K; ts为冒落岩石温度，K; q t为单位时间单位 体积内冒落岩石的放热量，kJ/ m3s ;ρs为固 体的密度，kg/m3;cs为固体的比热容 kJ/ kg K ; a 为单元体的比表面积，a Sn/ΔxΔyΔz，L/ m; v0为工作面推进速度，m/s。 即式 17是移动坐标下采空区内冒落岩石 能量方程。 1. 3. 2气体温度场 设有温度场 Qg Q，t Q g x，y，t ，由能 量守恒定律可知，单位时间内，汇入封闭曲线范围 的气体热量 Qgc，同控制体体内固体对流散热量 Qd 之和，应等于单元体内孔隙中气体内能的增加值 Qh，即 Qgc Q d Q h 18 由傅里叶定律得知，单位时间内曲面边界 Γ 流入曲面 F 全部热量是 Qgc Qgc F k  T  n dΓ 19 热量 Qh可表示为 Qh∮ Γ cgρgvxtgdy － cgρgvytgdx c g∮ Γ ρgvxtg dy － ρgvytgdx 20 对流换热量 Qd可表示为 Qd F Kea ts － t g dS 21 将式 19 ， 20 ， 21代入 18 得 ∮ Γ qxdy － qydx － cg∮ Γ ρgtgvxdy － vydx F Kea ts － t g dS 0 22 根据傅里叶定律可知 qxλy1 － n  t g  x qyλy1 － n  t g  y        23 将 23代入式 22 得 ∮ Γ λgn  t g  x dy －  t g  y dx － cg∮ Γ ρgtgvxdy － vydx F Kea ts － t g dS 0 24 式中，λg为采空区气体导热系数，W/ m℃ ; Ke为对流换热系数，J/ m2s℃ ; Sn为单元体 内冒落岩石与气体对流换热的表面积，m2; tg为气 体温度， ℃; ts为固体温度， ℃;a 为单元体的比表 面积，aSn/ΔxΔyΔz，L/m; vx，vy为气流沿 x 轴、 y 轴方向的分量，m/s;ρg为气体的密度，kg/m3; cg为气体的比热，J/ kg℃ 。 式 24是移动坐标下采空区内气体温度场 能量方程。 2软件开发 2. 1软件界面 图形显示模块的任务是把整个模拟过程处理存 储的数据用图形显示出来，具有一个功能齐全的图 形显示界面是有限体积软件中最基本的一个要求。 对于大多数的用户而言，图形显示功能是至关重要 的，因为图形显示能够有效地减小大量数据结构的 堆积，进而减小了结构计算的错误。本设计软件图 8 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 形显示模块分为 3 部分登陆系统;参数输入界 面; 结果汇总显示。 显示界面是 Tecplot10. 0 作为绘图以及数据分 析情况下通用软件，该软件作为图形显示的优点是 易学易用，界面友好，能够马上读入* . cas、* . dat 文件等。因此基于 Tecplot 软件的这些优点， 使其作为该软件的图形显示模块效果是非常可观 的，而且该软件较成熟，解决了不能准确地处理数 据的弊端。 2. 2软件功能 该软件的开发，不仅对采空区自然发火防治的 研究起到了极大的作用，更是对注氮防灭火这一灭 火技术有了更深入的研究。该软件的开发可应用到 实际的生产中，通过各煤矿的实际情况，解算出注 氮的最佳位置、最佳流量、最佳个数等实质性问 题; 还可计算采空区注氮条件下 “三场” 氧浓度 场、流场、温度场的分布情况;避免了实际操 作的困难，取而代之的是一次次的计算机上的操 作，相对比人工操作精确而且可循环，试验性强， 计算精度高，速度快，对煤矿解决火灾这个难题起 到了极大的帮助。 3数值模拟 3. 1网格划分 首先通过计算一个控制体，达到计算出构成采 空区工作面所有单元的相关参数。为了清楚地表示 出网格划分的方法，用图 1 所示 MNPQ 代表中心 体积法中的矩形网格，四边形 abcd 表示选取的控 制体。沿 ab 方向为采空区深度，沿 ad 方向为工作 面方向，根据采空区自然发火物理模型 ab 方向为 采空区的进风巷，dc 为回风巷，在采空区中 “两 道两线”处为自燃易发部位，因此在对控制体 abcd 进行网格剖分时在自燃易发部位处的网格加 密。采空区其余工作面部位采取疏密不一的网格线 进行剖分，为了使得绘制的网格标准化和规范化， 网格之间的距离引入数学理论中的等比数列且系数 大于 1，如图 2 所示。 图 1有限体积法矩形网格 图 2控制体网格划分 然后在采空区中注入氮气，选取一个注氮点， 假设在该点注入氮气，氮气进入采空区后会在该点 向四周扩散，划分了如图 3 所示的第二层网格。如 图所示坐标为 e，f的点的氮气含量系数为 e2 f 21/2，用 DI 表示注入的氮气量，则该点 G 的氮 气含量为 DIGDI e2 f 21/2。同理，其余点的氮 气量也可据此求出，这样就得出了采空区内所有点 的氮气量。 图 3注氮含量计算示意 通过将两个网格叠加之后，从而进行模型的数 值计算。由 Tecplot 作为图显得到图 4 的网格划分 形式。 图 4网格划分 3. 2参数设置 在林南仓煤矿井下采集具有代表性的煤样进行 工业分析、元素分析等基础实验，从而确定采空区 注氮软件开发基础参数的设定，如表 1 所示。 表 1模型基础参数 参数数值 煤的密度/ kgm －3 1400 煤的比热/ J kg℃ －1 1200 顶板密度/ kgm －3 1410 顶板比热/ J kg℃ －1 1200 上隅角绝对气压/Pa101430 工作面通风阻力/Pa15 由采空区自然发火原理中的煤氧复合理论得 出，空气中的氧气与煤的表面结合后会发生大量的 化学反应，并释放大量的热量，同时该过程更会加 9 王月红等 采空区注氮软件模拟及开发研究2018 年第 6 期 ChaoXing 快煤与氧气的反应进程，使得火灾或爆炸迅速发 生。因此，针对这一理论知识，通过升温氧化实 验，确定煤氧化放热参数，如表 2 所示。 表 2煤氧化放热参数 参数数值 临界温度前耗氧速度系数0. 277 临界温度后耗氧速度系数1. 920 临界温度前放热强度系数18. 6108 临界温度后放热强度系数142. 3156 进风流温度/℃25 回风流温度/℃28 氮气注入量/ m3h －1 20 3. 3模拟结果 3. 3. 1氧浓度场 对比未注氮 如图 5 a和注氮 如图 6 a的氧浓度图可知，注氮使氧化带变窄，窒 息带变宽，且氧化带向工作面方向推进。因为随着 漏风气流流入采空区中，氧气持续向深部扩散，但 氮气的注入不断稀释氧浓度，使氧浓度下降。且温 度在注氮后逐渐降低，减轻了热量积聚放热量降 低，使得耗氧速率减小，氧化带宽度则变窄。 图 5未注氮氧浓度模拟 对比未注氮和注氮后的氧浓度场三维图，发现 两者的氧浓度均是逐渐降低的，但氧浓度变化趋势 则由注氮前的凸形变为注氮后的凹形。观察图 5 b和图 6 b可知，三维图中反曲线的凸率逐 渐减小，说明随着距回风巷距离的增大，氧浓度改 变的速率逐渐减小。证明了未注氮时在进风巷周围 由于漏风流将氧气带入采空区深部，而到达回风巷 时，由于逆风的作用，使得氧气浓度的变化不再明 显; 而注氮后，靠近进风巷的位置处氧浓度随深度 的改变呈凹形变化，且随着与进风巷距离的加大， 凹率逐渐减小。 图 6注氮后氧浓度场模拟 3. 3. 2温度场 对比未注氮 如图 7 a和注氮 如图 8 a二维图的温度场可知，工作面附近的温度 较低，且注氮前后的温度差只有 2℃，说明注氮前 后进风巷中与漏风流的温度相接近。但随着风流流 向采空区深部，低温气体与采空区深部的冒落岩石 及煤体进行热量交换，温度急剧降低，因此采空区 深部的温度差较大。注氮前的最高温度为 70℃， 注氮后的最高温度仅为 40℃，温差达到了 30℃ 左 右。且注氮前后采空区温度与深度呈正比例关系， 采空区越深部温度越高。注氮后进风巷附近的温度 有明显的降低，而回风巷周围的温度较总体有明显 的降低，但与注氮前相比较，高温区域由注氮前的 采空区深部位置变为回风巷部位。由于注入氮气 后，氮气被风流带入采空区深部，发生热传导降低 原有遗煤温度，热量则积聚到回风巷; 又因回风巷 处的风量较小，热量不易被带出采空区，导致回风 巷深部位置温度最高。 图 7 b 注氮前 与 8 b 注氮后 三 维图对比发现，不仅注氮与未注氮最高点温度不 同，且在进风侧附近，注氮后的温度随着采空区的 深度的增加缓慢上升，而在回风侧附近，上升速率 01 总第 145 期煤矿开采2018 年第 6 期 ChaoXing 图 7采空区未注氮温度场模拟 图 8采空区注氮后温度场模拟 较大。因为氮气进入采空区后，由于氮气的低温降 低了采空区内遗煤温度上升的速率，而在回风巷附 近，由于逆风的作用，氮气的温度较低，所以大量 的热量积聚在上隅角的位置处，使得该处的温度很 高。 3. 4工程应用 根据林南仓煤矿的技术条件及生产能力确定相 应的注氮参数，矿井下通常运用埋管方式进行防灭 火，沿回采工作面进风巷巷帮铺设管路，伴随着工 作面推进，管段注氮口会逐渐伸入深部，注氮口位 置开始进入氧化自燃带时进行注氮，每隔一段步距 重新铺设一条管路，在注氮的过程中采用封闭式注 氮，即利用密闭墙上的注氮管向采空区中注入氮 气。进行现场注氮后发现温度和氧气浓度明显降 低，林南仓煤矿在正常生产的条件下是不易发生自 燃的，因此注氮达到了相应的效果，由此说明，该 软件的模拟结果切实可行，为日后采空区注氮技术 研究起到了很大支撑作用。 4结论 1基于有限体积法，建立采空区注氮 “氧 浓度场”和 “温度场”数学模型。并利用 VB 语言 编制注氮防灭火模拟系统，通过 Tecplot 软件作为 图显，开发了采空区注氮防灭火软件。可运用到煤 矿实际生产中，并有效解决煤矿火灾问题。 2根据模拟得到的氧浓度场，发现注氮前 后氧化带宽度变窄，并且向工作面方向推进，窒息 带变宽。氧浓度变化曲线由凸形变为凹形。随着回 风巷距离的增大，氧浓度变化速率越来越小。 3在温度场中，注氮前后工作面附近的温 度差仅 2℃，而采空区深部的温度差为 30℃，且采 空区温度与深度呈正比例关系。注氮后，进风巷附 近温度明显降低，而回风巷周围温度较总体明显下 降，但与注氮前比较高温区域由深部位置变为回风 巷位置。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 徐会军，刘江，徐金梅 . 浅埋薄基岩厚煤层综放工作面采 空区漏风数值模拟 ［J］． 煤炭学报，2011，36 3 435－ 441. ［ 2］ 肖蕾，郭玉东，张平银 . 注氮防灭火技术在煤矿中的应用 ［J］． 宁夏工程技术，2009，8 1 19－23. ［ 3］ 温伟 . 大黄山矿采空区自燃 “三带”数值模拟及注氮防治 研究 ［D］． 太原 太原理工大学，2014. ［ 4］ 高海明 . 注氮防灭火技术在综采工作面回采期间的应用 ［J］． 能源与节能，2016，3 5 138－141. ［ 5］ 王月红，关雅洁，张九零，等 . 多参数遗煤耗氧速度耦合模 型研究 ［J］． 煤炭工程，2017，49 1 98－102. ［ 6］ 李宗翔，李海洋，贾进章 . 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Computational fluid dynamics study on the ventilation flow paths in longwallgobs ［J］． American Mine Ventilation，2006，12 1 32－36. 下转 64 页 11 王月红等 采空区注氮软件模拟及开发研究2018 年第 6 期 ChaoXing 衡拱的巷道有效跨度 ［12－13 ］ 为 a1 a h 2 tan 45－ φ 2 a2 a htan 45－ φ 2      30 式中， a 为巷道半宽，m; a1为隐形平衡拱半跨度， m; a2为扩展隐形平衡拱半跨度，m; h 为巷道高 度，m。 得到巷道有效跨度的基础上，基于上述分析过 程可得在垂直地层荷载和水平构造应力联合作用下 层状顶板的隐形平衡拱和扩展隐形平衡拱形态及矢 高，通过公式 28进而可得支护设计时锚索的 长度。限于篇幅，在此不再赘述。 4结论 通过分析普氏平衡拱理论对于层状顶板变形研 究存在的不足，考虑巷道两帮稳定状态与平衡拱形 态及矢高的关系，对上覆地层压力和水平构造应力 共同作用下露井联采中井工矿巷道层状顶板变形破 坏后的平衡拱形态及矢高进行深入研究，考虑到理 论计算与实际有一定区别，下一步将结合实际开展 相关研究，该论文成果只是理论分析。 主要结论有 1露井联采中井工矿巷道层状顶板岩体在 垂直地层荷载和水平构造应力的综合作用下发生挠 曲变形后将不断冒落而形成初始平衡拱。若不及时 支护，层状顶板的初始平衡拱不断脱落，直至冒落 成高形态极限自然平衡拱。 2露井联采中井工矿巷道层状顶板的平衡 拱矢高与水平侧压力和巷道跨度密切相关。当 λ＜1 时，地应力起主要作用，层状顶板上部一定范围内 岩层在垂直地层荷载下出现较大塑性破坏范围，形 成竖直方向的椭圆状平衡拱;相反，当 λ＞1 时， 水平构造应力起主要作用，层状顶板上部一定范围 内的岩层在垂直地层荷载下出现较小塑性破坏范 围，形成水平方向的椭圆状平衡拱。 3当巷道帮部为较软弱的岩体时，帮部易 发生失稳，层状顶板自然平衡拱将进一步演变为隐 形平衡拱和扩展隐形平衡拱。在得到巷道有效跨度 的基础上，可分析在垂直地层荷载和水平构造应力 联合作用下层状顶板的隐形平衡拱和扩展隐形平衡 拱的形态及矢高，进而可得支护设计时锚索的长度。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 徐志远 . 平朔矿区露井联采技术综述 ［J］． 煤炭工程，2015， 47 7 11－14. ［ 2］ 邓奇根，王燕，刘明举，等 . 2001～2013 年全国煤矿事故统 计分析及启示 ［J］． 煤炭技术，2014，33 9 73－75. ［ 3］ 康红普 . 巷道围岩的承载圈分析 ［J］． 岩土力学，1996，17 4 84－88. ［ 4］ 康红普 . 巷道围岩的关键圈理论 ［J］． 力学与实践，1997，19 1 34－36. ［ 5］ 何满朝，钱七虎 . 深部岩体力学基础 ［M］． 北京科学出版 社，2010. ［ 6］ 苏学贵 . 特厚复合顶板巷道支护结构与围岩稳定的耦合控制 研究 ［D］． 太原 太原理工大学，2013. ［ 7］ 孙训方 . 材料力学 ［M］． 北京 高等教育出版社，2008. ［ 8］ 于远祥 . 矩形巷道围岩变形破坏机理及在王村矿的应用研究 ［D］． 西安 西安科技大学，2013. ［ 9］ Mehdi Amini，Abbas Majdi，Mohammad Amin Veshadi. 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