浅埋煤层过空巷覆岩运移规律的离散元数值模拟.pdf

万方数据 分分 类类 号号 密密 级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 目 浅埋煤层过空巷覆岩运移规律的离散元数值模拟浅埋煤层过空巷覆岩运移规律的离散元数值模拟 英文并列题目 DISCRETE ELEMENT ANALYSIS OF STRATA MOVEMENT IN SHALLOW SEAM REPEAT MINING 研究生姓名 金洋 学 号 2014510626 专 业 矿业矿业工程工程 研 究 方 向 地下工程稳定性分析 导 师 姓 名 张昌锁 职 称 教授 学位授予单位太原理工大学 论文提交日期 2017/04 地 址 山西太原 太 原 理 工 大 学 万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 浅埋煤层过空巷覆岩运移规律的离散元数值模拟 摘 要 本论文以神府煤田大柳塔煤矿 1203 工作面的地质情况为基础，首先 UDEC-Voronoi 建模法的可行性分析，而后通过理论分析、UDEC-Voronoi 数 值模拟相结合的方法研究了浅埋煤层大采高工作面正常回采和过空巷工况 覆岩运移规律，提出了两种工况下基本顶初次断裂的预测指标，优选出了 正常回采工况下基本顶极限跨距的理论公式。本文主要研究工作与获得的 有益认识如下 1. 基于 Voronoi-BPM 模型建立的岩石单轴压缩、单轴拉伸和直剪数值 试验能够真实模拟实验室岩石力学试验，可以用于宏细观参数标定。 2. 对于模型尺寸为 100mm50mm 的最佳块体边长为 4mm，对其他尺寸 模型，最佳块体边长仅需按相同比例缩放即可。 3. 模型宏细观参数存在明确的相关关系，参数标定时，应根据宏观泊 松比 v 和宏观弹性模量 E 对法向刚度 kn和刚度比 ks/kn进行校准，根据宏观 内聚力 C 和宏观内摩擦角 φ 对细观内聚力 Ccon和细观内摩擦角 φcon进行校 准，根据宏观抗拉强度 T 对细观抗拉强度 Tcon进行校准。 4. 块体形状主要影响模型的抗剪特性，由于随机多边形块体的啮合作 用，模型破坏面更加粗糙，大大增强了模型的抗剪能力。块体形状对模型 抗拉、抗压力学特性影响不大，两类模型抗压、抗拉能力和破坏形式相似。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5.Voronoi-BPM 和 Trigon-BPM 模型都能够真实模拟岩体裂隙萌生发育 的现象，但是 Trigon-BPM 模型由于容易产生尖端应力过度集中，不能进一 步模拟岩体垮落、压实的现象。因此 Voronoi-BPM 模型更适用于模拟研究 残采区残采区空巷围岩赋存规律及残采工作面过空巷老顶破断规律。 6. 运用 Hoek-Brown 强度准则和经验关系式可以对大柳塔矿 1203 工 作面煤系地层力学参数进行了岩石-岩体力学参数转换。 7. 正常回采工况下覆岩结构呈现岩石压力拱-悬臂梁式演化规律，承 载结构呈现拱-拱梁-梁式演化规律；过空巷工况下覆岩结构呈现岩石压力 拱-双岩石压力拱-悬臂梁式演化规律，承载结构呈现压力拱-双压力拱-拱 梁-梁式演化规律。 8. 针对正常回采工况下老顶初次断裂的预测，提出岩石压力拱垮落 高度、老顶两端对称位置竖直裂隙长度、压力拱拱顶中部应力集中区厚度 三个特征指标。 9. 针对正常回采工况下老顶极限跨距的计算，通过梁式和拱式理论 解与模拟结果对比发现，拱式计算法更适用于该工况下老顶极限跨距的计 算。 10. 针对过空巷工况下老顶初次断裂的预测，提出煤柱应力集中区宽 度、岩石压力拱垮落高度、老顶两端对称位置竖直裂隙长度、压力拱拱顶 中部应力集中区厚度四个特征指标。 关键词UDEC，泰森多边形，岩石力学数值试验，过空巷，残煤复采 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 DISCRETE ELEMENT ANALYSIS OF STRATA MOVEMENT IN SHALLOW SEAM REPEAT MINING ABSTRACT Based on the geological condition of 1203 working face in Daliuta coal mine of Shenfu Coalfield, the feasibility of UDEC-Voronoi modeling is firstly discussed. Then, by means of theoretical analysis and UDEC-Voronoi numerical simulation, The law of the overburden movement of the high working face and the overburden hole in the high working face, the prediction index of the initial roof fault under the two conditions is put forward, and the theoretical ula of the basic ultimate limit span under the normal mining condition is selected. The main work of this paper and the beneficial understanding of the following 1. The rock uniaxial compression, uniaxial tension and straight shear numerical test based on the Voronoi-BPM model can simulate the experimental rock mechanics experiment and can be used for the calibration of macro-scale parameters. 2. For the model size of 100mm 50mm or 100mm 100mm the best block length of 4mm, for other size models, the best block length only by the same scale can be scaled. 3. The macroscopic parameters of the model are clearly related. When the parameters are calibrated, the normal stiffness kn and the stiffness ratio ks / kn should be calibrated according to the macro Poissons ratio v and the macroscopic elastic modulus E. According to the macroscopic cohesion C and macroscopic The internal friction angle φ is calibrated for the mesoscopic 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 cohesive force Ccon and the mesoscopic internal friction angle φcon, and the microscopic tensile strength Tcon is calibrated according to the macroscopic tensile strength T. 4. The shape of the block mainly affects the shear behavior of the model. Due to the meshing effect of the random polygon block, the model failure surface is more rough, which greatly enhances the shear capacity of the model. The shape of the block has little effect on the tensile and compressive mechanical properties of the model, and the compressive, tensile and destructive s of the two models are similar. 5. The Voronoi-BPM and Trigon-BPM models can simulate the fissure initiation and development of rock mass. However, the Trigon-BPM model can not further simulate the collapse and compaction of rock mass due to the excessive concentration of tip stress. Therefore, the Voronoi-BPM model is more suitable for the simulation of the surrounding rock in the residual mining area of residual mining area and the breaking law of the old roof in the residual mining face. 6. The Hoek-Brown strength criterion and empirical relation can be used to convert the rock-rock mechanics parameters of the coal seam mechanics parameters of the 1203 working face in Daliuta Mine. 7. The structure of the arching structure shows the arch-arch-girder-beam evolution law. The overburden structure shows the rock pressure arch - the double rock Pressure arch - cantilever beam evolution rule, bearing structure showing pressure arch - double pressure arch - arch beam - beam evolution rule. 8. Aiming at the prediction of the initial rupture of the old roof in the normal mining condition, the authors put forward the four characteristics of the pressure collapse height of the rock pressure arch, the vertical fissure length of the symmetrical position at both ends of the old roof, the thickness of the central part of the pressure arch dome and the surface subsidence curve index. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 9. For the calculation of the ultimate span of the old roof under the normal mining conditions, it is found that the arch calculation is more suitable for the calculation of the ultimate span of the old roof by the beam and arch theory and the simulation results. 10. According to the prediction of the initial rupture of the old roof in the condition of the overhill, the height of the stress zone of the coal pillar, the height of the rock pressure arch, the vertical fissure length at the symmetrical position of the old roof and the stress concentration Thickness and surface subsidence curve of five characteristics. KEY WORDSUDEC， voronoi， numerical rock mechanics tests， repeat mining， coal mine remining 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 目录 第一章 绪论 ............................................................................................................................ 11 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................ 11 1.2 研究现状 .................................................................................................................... 11 1.2.1 残煤复采过空巷研究现状 ............................................................................. 11 1.2.2 数值模拟研究方法研究现状 ......................................................................... 14 1.3 本课题研究的主要内容及技术路线 ........................................................................ 18 第二章 残采工作面工况及分类 ............................................................................................ 21 2.1 矿井概况 .................................................................................................................... 21 2.2 地层赋存参数 ........................................................................................................... 21 2.3 残采区煤层及巷道赋存状况分析 ............................................................................ 22 2.2.1 残煤复采分类 ................................................................................................. 22 2.2.2 残采区煤层现状 ............................................................................................. 23 2.2.3 残采区巷道现状 ............................................................................................. 24 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 24 第三章 UDEC-Voronoi 建模法可行性研究 .......................................................................... 25 3.1 原理介绍 .................................................................................................................... 25 3.1.1 粘结颗粒模型 ................................................................................................. 25 3.1.2 软件原理 ......................................................................................................... 25 3.1.3 块体划分 ......................................................................................................... 27 3.1.4 力学参数 ......................................................................................................... 29 3.1.5 块体尺寸 ........................................................................................................ 31 3.2 岩石力学数值试验 .................................................................................................... 31 3.2.1 单轴压缩试验 ................................................................................................. 32 3.2.2 单轴拉伸试验 ................................................................................................. 33 3.2.3 直剪试验 ......................................................................................................... 35 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 3.3 参数标定 .................................................................................................................... 37 3.3.1 标定流程 ......................................................................................................... 37 3.3.2 标定结果 ......................................................................................................... 37 3.4 影响因素分析 ............................................................................................................ 37 3.4.1 块体尺寸影响分析 ......................................................................................... 37 3.4.2 接触参数影响分析 ......................................................................................... 40 3.4.3 块体形状影响分析 ......................................................................................... 42 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 47 第四章 残采工作面过空巷覆岩失稳规律及结构分析 ........................................................ 49 4.1 数值建模 .................................................................................................................... 49 4.1.1 模型设计 ......................................................................................................... 49 4.1.2 参数选取 ......................................................................................................... 50 4.2 正常回采老顶初次破断规律数值模拟 .................................................................... 53 4.2.1 裂隙场演化规律分析 .................................................................................... 53 4.2.2 应力场演化规律分析 .................................................................................... 55 4.2.3 现场监测对比 ................................................................................................ 57 4.3 正常回采覆岩初次断裂预测与计算 ........................................................................ 60 4.3.1 初次断裂预测 ................................................................................................ 61 4.3.2 老顶极限跨距计算 ......................................................................................... 63 4.4 过空巷老顶初次破断规律数值模拟 ........................................................................ 65 4.4.1 裂隙场演化规律分析 .................................................................................... 65 4.4.2 应力场演化规律分析 .................................................................................... 68 4.5 过空巷覆岩初次断裂预测 ....................................................................................... 70 4.6 本章小结 .................................................................................................................... 71 第五章 结论与展望 ................................................................................................................ 73 5.1 主要结论 .................................................................................................................... 73 5.2 展望 ............................................................................................................................ 74 参考文献 .................................................................................................................................. 77 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 致谢 .......................................................................................................................................... 83 攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目 .............................................................. 85 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 神府东胜煤田位于我国陕西省神木县、府谷县和内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，该 煤田煤炭资源丰富、煤层赋存稳定、地质条件简单，可采煤层数目多、埋藏浅、倾角小、 煤质优良，是我国最主要的煤炭生产基地之一。 受开采工艺、装备、技术水平的限制，上世纪七八十年代，大多数煤矿企业粗放式 开采煤炭资源， 即大量采用巷柱式、 残柱式、 高落式等比较落后的采煤方法和采煤工艺， 留下大量煤柱，资源回收率极低。同时，煤炭企业还普遍存在“采易弃难”现象，即只 采赋存条件好，面积大的煤体，放弃大量粗放开采留下的残留煤体。这都造成了煤炭资 源的极大浪费。 对残留煤体的二次开发，对于煤炭工业与社会经济的可持续发展具有重要意义，而 随着我国煤炭工业开采技术、支护技术、支护材料的不断进步，残煤复采的可行性已经 毋容置疑。但是，受已开挖煤层卸荷作用影响，残煤复采围岩破坏和应力分布规律与一 般的实体煤开采有很大不同。学者们基于理论推导、现场实测、相似模拟和数值模拟， 对残煤复采围岩破坏和应力释放机理进行了有益探讨，但未能形成一套完整的理论体 系。 为了进一步理解残煤复采围岩破坏和应力分布规律，本文将研究 UDEC-Voronoi 建 模法的可行性，而后针对神府煤田大柳塔煤矿 1203 工作面地质条件建立 Voronoi-BPM 模型，模拟研究浅埋煤层大采高工作面正常回采和过空巷基本顶初次断裂规律，研究结 果可为相似工况提供理论依据和指导，具有重要的理论和现实意义。 1.2 研究现状研究现状 1.2.1 残煤复采过空巷研究现状残煤复采过空巷研究现状 我国煤炭行业早期生产过程中存在“采以弃难”现象，大量优质煤炭资源以煤柱的 形式遗留在残采区。随着优质煤炭资源需求的不断扩大、开采和支护装备技术水平的提 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 高，残煤复采已成大势所趋。旧式采煤方法留下了大量的煤柱、空巷、空区、冒顶区和 边角煤，受卸荷作用影响，原有的应力分布状态已经发生变化，当残采工作面推过时应 力二次重分布，会造成来压步距不规律、矿压显现增强等一系列反常现象，增加了高效 回采难度，产生了各种安全隐患。因此，相关研究主要集中在残采工作面过空巷、空区、 冒顶区、煤柱工况下的稳定性分析 田取珍教授[1]1993 年主持承担了国家煤炭资源再回收项目， 在长治西旺矿进行了残 煤复采工程试验，并获得成功，该项目的研究对我国残煤复采技术具有里程碑式意义。 柏建彪、侯朝炯[2]针对典型综放工作面过空巷工况，分析了其顶板破断和运动规律, 建立了空巷顶板稳定性的力学模型 , 得到了岩块失稳时的支架阻力， 提出了高水材料充 填支护技术，确定了相应的支护参数。 张自政、柏建彪[3] 针对柳林郭家山煤矿 4217 综放煤柱回收工作面过空巷工况，建 立了空巷顶板力学模型，分析了空巷顶板与空巷充填体相互作用关系，得到了满足空巷 顶板稳定时的充填体支护阻力计算式，提出高水材料能够增加空巷围岩完整性，并确定 了最佳水灰比，为相似工况安全顺利生产提供借鉴。 谢生荣等[4]针对中煤马营矿 9102 工作面过空巷工况， 建立了综放工作面过空巷时老 顶断裂运移结构模型，计算了支架临界工作阻力，并结合数值模拟确定了一套过空巷顶 板综合控制技术。 刘畅等[5]建立了综放工作面过空巷基本顶力学模型，进行了影响因素力学分析，计 算了过空巷期间支架最小支护阻力。 杨瑶[6]基于有限元软件 RFPA 模拟研究了旧采区空巷、煤柱的赋存状态、二次掘进 与二次回采时的覆岩破坏情况与应力分布状态。 杜科科[7]针对哈拉沟煤矿 02209 工作面过空巷工况，结合 FLAC3D 数值模拟、现场 实测和理论分析，研究了残采工作面过空巷时的顶板破断运移来压规律，提出了等压过 空巷技术，确定了相关参数，并进行了工程试验，取得了良好的效果。 张小强[8]总结了旧采矿井开采损失现状及残煤复采类型， 针对圣华煤矿 3101 厚煤层 综放工作面过空巷工况，结合理论研究、数值模拟和相似模拟技术，分别研究了残采工 作面过空巷围岩应力重分布规律、围岩变形规律、顶板破断和运移规律和支架-围岩相 互作用关系，提出近水平煤层残煤复采可才行综合评价体系，为相似工况二次开采可行 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 性研究及设计提供了参考案例和理论依据。 马占国等[47]针对房柱式充填开采工况，将残采区煤柱和充填体考虑在内，提出了弹 性板柱力学模型以分析顶板运移的力学机理；并采用数值模拟的方法，从能量的角度研 究了采场矿压规律、煤柱应力分布和失稳规律。 郭富力[48]为了研究综放采场空巷承载结构、小结构的稳定性课题，讨论了空巷围岩 运移规律、应力重分布特点及其力学机理；提出顶板岩层关键结构力学模型，分析其运 移破坏机理，提出锚杆支护方案；在此基础上，总结出空巷围岩小结构理论，并提出高 强度锚杆支护体系和技术，从而形成一套针对综采工作面过空巷围岩稳定性及控制理论 体系。 杨荣明等[49]针对哈拉沟煤矿过空巷工况，采用理论分析的方法，首先提出弹性地基 梁模型分析顶板结构， 将其分为有利和有害两种顶板结构， 分别提出了相应的支护体系， 确定了支护参数。 苏金元等[50]针对哈拉沟煤矿 02201 综采工作面过空巷工况，提出减速等压、工作面 调斜、加速通过空巷三种措施确保综采工作面安全顺利通过空巷。 温庆华等[51]针对哈拉沟煤矿 02209 综采工作面平行通过两条空巷的工况，提出了 “锚索全断面金