济三煤矿不稳定厚煤层开采矿压规律研究.pdf

黑龙江科技学院 硕士学位论文 济三煤矿不稳定厚煤层开采矿压规律研究 姓名田德凤 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师郝传波 201106 摘要 济宁三号煤矿投产后一直以综合机械化放顶煤开采技术为主，随矿井开 拓延伸，可采煤层的厚度正逐年变薄，适于综放开采的工作面越来越少。目 前，可采煤层厚度大多在3 ～5 m 左右，且为不稳定厚煤层。采用综放工艺开 采，会造成设备浪费、资源浪费等。因此有必要研究开发适合济宁三号煤矿 煤层厚度变化情况的综采技术，以提高矿井经济效益，促进矿井长远发展。 本文针对济宁三号煤矿煤岩地质条件，结合国内外大采高综采工艺发展 现状，运用对比分析法，提出了采用一次采全高综采技术。利用F L A C 3 D 软 件对综采工作面矿压显现规律进行数值模拟分析，预测工作面初次来压和周 期来压步距等矿压显现特征；对工作面煤壁片帮进行数值模拟分析，指出综 采工作面的极限割煤点，提出防治煤壁片帮的措施；根据模拟分析结果确定 工作面液压支架的型号，为保障支护效果，提出针对液压支架结构调整的措 施。运用数量化理论建立冲击地压危险性评价模型，对一面采空和两面采空 条件下冲击地压危险性进行数值模拟分析，提出防治冲击地压的专门措施。 结果表明，一次采全高综采适合济三煤矿3 ～5 m 不稳定厚煤层开采。 本研究可以为国内同类条件的矿井提供指导和借鉴。 该论文共有图2 2 幅，表2 1 个，参考文献6 0 篇。 关键词冲击地压；支护强度数值模拟；综采；不稳定煤层 A b S t r a C t A 矗e r J i l l i I l g N o ．3c o a Jm i n e p u t i m oo p e r a t i o n ，i t d e V e l o p e d t h e c o m p r e h e I l S i V em e c h a n i z a t i o nt o pc o a lc a V i n gm i n i l l gt e c l u l o l o g yp r i m 撕l y ．W i m t h em i n ed e V e l o p i n ga 1 1 de x t e n d i n g ，m em i n a b l em i c k n e s sw 嬲t 王l 血血n gy e a rb y y e a ra I l dm ef a c eo fm i I l ew M c hw a Ss u i 诅b l ef o rc o m p r e h e n s i V em i I l i n gw a Sa l s o l e s sa 1 1 dl e s s ．A tp r e s e n t ，t h em i n a b l et h i c k n e s sw a sm o S t l yi I l3 5 ma 1 1 dt l l e yw e r e u 1 1 s 诅b l e l yt m c ks e a m s ．I fw e 缸【o p t e dc o I n p r e h e n s i V em 越n gt e c h n 0 1 0 9 y ，i tw o u l d c a u s em ew a S t eo fe q u i p m e m sa n dr e s o u r c e s ，a u l dS oo n ．T h e r e f ．o r ei tw 私 n e c e s s a r ，t od e V e l o pac o m p r e h e n s i V em i I l i n gt e c h n 0 1 0 9 y 州c hS u i t e d f o rm e d e V e l o p m e mo ft h ec o a lt l l i c k n e s si nJ i m n gN o ．3c o a lm i n et oi r n p r o V et h em i n e e c o n o m i ce m c i e n c ya n dp r o m o t e 嘶n e l o n g t e 册d e V e l o p m e n t ． 1 H sp a p e r ，c o m b i l l i n gt l l e d e V e l o p m e n t s t a t u So fd o m e s t i ca I l d f o r e i g n c o m p r e h e n s i V em i l l i n gi no n et i m et e c l l r l o l o g y ，p r e s e m e dc o m p r e h e n s i V em i I l i I l g i no n et i I l l et e c h 工l o l o g yb yu s i n gc o m p 跏t i V ea I l a l y s i s ，w h i c hw a sa c c o r d i n gt ot 量1 e c o a lr o c k g e 0 1 0 9 i c a lc o n d i t i o n s o fJ i n g m n gN o ．3c o a lm i n e ．I t n 啪e r i c a l l y s i n l u l a t e dt l l er e g u l 撕够o fs t r a t ab e h a v i o ff o r 如1 1 ym e c h a l l i z e dw 0 尥n gf a c eb y u S i n gF L A C 3 Ds o m 啷e ，a n dp r e d i c t i V e dt h ec h a r a c t e r i S t i c so fs t r a t ab e h a v i o ro f p r i m a r yw e i g ha n dp e r i o d i c 、Ⅳe i g h t l y1 e n 星胁a n ds 0o n ．I tI m m 耐c a I l ys i m u l a t e d t h ec o a lw a l lc a v m go f 、v o 蚰1 9f ．a c e ，p o i n t e do u tt 1 1 e1 i 戚tc u t t i n gc o a Jp o i n to f 血l l y m e c } 删l i z e d f l a c e ，a 1 1 dp r e s e n t e d m ec o n t r 0 1m e a S u r e so fc o a l w a l l c a - v i n g ．A c c o r d i l l gt o 也es i m u l a t i o n 锄a l y s i s ，i td e t e n n i r l e dt h e 帅eo fh y d r a u l i c s u p p o n s ．I no r d e rt o 刚町a m e et h es u p p o r t i n ge f r e c t s ，i tp r o p o s e d 也em e a s u r e so f a i m i n g a t 血ea d j u s t m e n t so fh y d r a u l i c s u p p o n s ．n e s t a b l i s h e dt h eh a z a r d e V a l u a t i o nm o d e lo fp r e s s u r eb u m pb yI l s i n g q 眦t i t a t i V et 1 1 e o r y ，n m n e r i c a l l y s i I n l l l a t e dt h eh a 删o fr o c kb u s t 协c o n d n i o n so fo n e 锄dt w os i d e ss t o p eo u t ， a n dp o 砬e do u tm ec o n 廿0 1m e a u s u r e so f r o c kb u S t ．R e s u l t ss h o w e dt 1 1 l a t c o m p r e h e n s i V e 埘血n gt e c h n o l o g yw a Ss u i t a b l ef o rm i 血n g3 - 5 m1 1 r l s 衄b l e l ym i c k c o a ls e 锄i n J i n i n gN o ．3C o a lI I l i n e ． T l l i sr e s e a r c hc a l lp r o V i d eg u i d a n c e s 锄dr e f e r e n c e sf o rd o m e s t i ca n ds i 缸l a r c o n d i t i o n sm i n e s ． n K e yw o r d s p r e s s u r eb 啪p ；s 印p o r t i n gi m e n s i t r ；n 眦e r i c a ls i m u l a t i o n ； c o m p r e h e n s i V em i l l i n g ；u n s 讪l ec o a ls e a m ⅡI 致谢 在攻读硕士学位期间，我在学习上、思想上都受益菲浅。这除了自身努 力外，与各位老师、同学、朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 在此，我要特别感谢我的导师郝传波老师。从论文选题、文献采集、框 架设计、结构布置到论文最终定稿，从论文内容到论文格式，从标题到标点， 我的导师都倾注了大量的精力和心血，在读硕期间，无论是在学习还是在生 活上，郝传波老师都给予了我极大的鼓励、指导和关怀。郝传波老师学识渊 博、热情诚恳、治学严谨，老师的言传身教将使我一生受益。在论文完成之 际，谨向我的导师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意 感谢孙广义院长给予的指导和帮助，在论文修改过程中，孙广义院长提 出了宝贵的修改意见和建议，使论文得到了进一步完善。 感谢代少军老师给予的指导和帮助，在论文开题，中期检查，预答辩等 过程中，代少军老师给予了细心的指导和热心的帮助，这使我在撰写论文过 程中少走了很多弯路。 感谢济宁三号煤矿陈勇副总工程师及矿上多位工程技术人员给予的指导 和帮助，是你们的指导和帮助使我的论文资料收集工作得以顺利完成。 感谢我的家人们，你们的期望和鼓励是我努力学习的动力，你们的理解 和支持，是我完成学业的精神源泉 感谢我的师弟和师妹们，感谢你们在读硕期间对我的关心和帮助 感谢黑龙江科技学院，感谢你给我留下了如此多的感动和如此多的美好 回忆。 感谢各位专家、教授、评委，在百忙之中审阅我的论文乖参加答辩。 1 绪论 1 绪论 1 ．1 济三煤矿概况 1 地理概况 济宁三号煤矿位于山东省济宁市任城区境内，西北距济宁市1 4k m ，东 北距兖州市3 2k m ，隶属兖州煤业股份有限公司，设计生产能力5 0 0 万“a ， 设计服务年限8 1 年，井田总面积1 0 5 ．0 5k m 2 。 矿井于1 9 9 3 年1 2 月1 9 日由兖州矿务局第三十二工程处正式开工建设， 于2 0 0 0 年1 2 月2 8 日正式投产。 2 资源／储量 截止2 0 0 7 年底，全矿井储量 1 11 和1 2 2 ，均为3 上、3 下煤 2 0 0 7 0 ．5 万t ， 按2 0 0 6 年核定的7 0 0 万t ／a 的生产能力，储量备用系数取1 ．4 ，估算得本矿井 尚可服务2 1 年；按原储量类型划分标准，截止2 0 0 7 年底，全矿井可采储量 3 8 5 2 7 ．5 万t ，估算本矿井尚可服务3 9 年。 3 地质特征 济三井田位于南北向的济宁地堑构造内，位于济宁煤田 东区 的中南 部。东西两侧分别为南北向的区域性断裂孙氏店断层和济宁断层，井田内断 层则以受此区域性断裂控制的南北向断层为主。井田的褶曲形态北部以宽缓 褶曲为特点，往南逐渐转成北东向、向北西倾伏的单斜构造。 济三井田煤系赋存特点是，东部及东南部浅，西部深。由北至南为一近 南北走向、向西倾伏逐渐转成北东走向向北西倾伏的单斜构造。浅部具宽缓 褶曲的特点，形成次一级的向背、斜构造。地层倾角平缓，一般在5 0 9 0 左 右，唯东部孙氏店支一断层西侧，因受断层牵引影响，倾角局部变陡。在5 ～7 剖面线处可达1 8 0 以上。井田内褶曲构造因地层倾角平缓，褶曲幅度又不大， 所以形态不明显。 ①褶曲 经资源勘探、地震探测、建井时期开拓，由钻孔资料、地震解释资料和 开拓开采实际揭露资料证实，井田内发育褶曲构造，在煤层底板等高线图上 显示出褶曲的基本形态，但由于地层倾角不大，褶曲幅度较小，因而褶曲宽 缓。图卜1 基本展示出了井田内褶曲的分布特点和延展方向。井田内褶曲构 造基本特点 ． 硕士学位论文 乱发育于井田东部的褶曲，多数延展较短，褶曲轴向以北西向为主，基 本平行、等距分布，与孙氏店断裂基本平行或以较小的交角斜交。 b ．发育于井田北部的褶曲，其幅度较大，褶曲轴向呈东西向展布，如坞 庄背斜，位于济三井田北部4 线附近，轴向近东西，延展长度7 虹，跨度 O ．8 ～1 ．2k m ，幅度1 0 2 5m ；姜庄向斜，位于井田北部5 线附近，轴向近东 西，延展长度3 ．8 蛔，跨度0 ．4k m ，幅度1 0 1 5m ；辛店向斜，位于井田中 西部7 线附近，轴向近东西，延展长度3 ．2k m ，跨度0 ．5 ～1 ．2 虹，幅度 1 0 ～18m 。 c ．发育于井田东南部的褶曲呈北西或北西西向展布。 济三井田内褶曲发育特点，反映了褶曲形成受构造应力作用的特点，褶 曲是井田内煤层产状变化表现出的地层走向变化规律，可以看出，褶曲不是 在一期构造运动中形成的，至少遭受南北向挤压和北东一南西向挤压两次挤压 作用的影响。但是，井田内的褶曲是煤田区域构造的次级构造，可能是井田 外围大型断裂构造的派生构造。井田地层总体倾角平缓，褶曲构造不甚发育， 褶曲幅度不大。 图卜1 井田构造分布图 F i g u r e1 - lt h eD i S t r i t i o nG r 印ho fM i n e f i e l dS t r u c t u r e ②井田断层总体特征 济三井田以南北向断层为主，如孙氏店断层、孙氏店支一断层、北王断 层、八里铺东断层和八里铺西断层等。且多为东升西降的西倾正断层，使本 区地层自东向西呈台阶式下降，控制着本区的主要构造形态。也发育有南北 向的东倾正断层，如F 8 断层、瓯断层与董庄断层等，与西倾正断层间构成 小的地堑、地垒构造。其次尚发育有一组北东东至东西向的正断层，如C m 断 ’ 1 绪论 层与泗河口断层等。但在济三井田内分布较零散，不占主导地位。井田内断 层以正断层为主，也见有少数较小落差的逆断层，落差一般在1 0m 以下。唯 井田西南部的C 协，。断层为一落差较大的逆断层，3 上煤重复，落差达3 0m 。 在整个井田，由钻探、地震探测控制与生产实际揭露的断层共5 3 9 条， 按断层最大落差分类，其中落差≥1 0m 的断层5 8 条。在落差≥l Om 的断层中 落差≥5 0m 的断层6 条；落差≥2 0 一5 0m 的断层共2 0 条；≥1 0 2 0m 的断 层3 2 条；落差25 1 0m 的断层1 0 2 条；落差 5 ．Om 的主要分布在 东区 二、十二采区 ，现保有工业储量7 3 1 3 ．6 万t ，可采5 4 8 5 ．2 万t 3 ．0 ～5 ．0m 的主要分布在中部，现保有工业储量6 2 9 1 ．4 万t ，可采4 7 1 8 ．6 万t ； ‘R 7 1 6 0k W ●●■一 ‘ 综采工作面电气设备总功率 y 只 6 6 2 0k w 综采面电费比综放面电费节约 ∑J Y ∑弓一∑￡ 2 0 小时／天x 3 6 5 天／年x o ．5 3 元／ k w ．h t 6 2 济三煤矿3 ～5 m 不稳定厚煤层采煤方法分析 2 0 8 9 2 6 0 元／年 ‘ 2 0 8 ．9 万元／年 4 配件费 综放面配件费用系数为2 ．5 5 元／t ，则5 3 下0 9 工作面若用综放工艺开采， 所需的配件费为 2 ．5 5 元／t 2 4 1 万确1 4 ．5 5 万元 综采面配件费用系数为2 ．0 6 动，则5 3 下0 9 工作面若用综采工艺开采， 所需的配件费为 2 ．0 6 元／t 2 4 1 万刨9 6 ．4 6 万元 综采面配件费比综放面配件费节约 6 1 4 ．5 5 万元_ 4 9 6 ．4 6 万元 1 1 8 ．1 万元 5 人工费 若以综放工艺开采，每天需出勤8 8 人，以全员出勤率6 6 ％计算，则5 3 下0 9 工作面需要人数为8 8 0 ．6 6 1 3 3 ．3 人≈1 3 4 人。 若以综采工艺开采，每天需出勤7 6 人，以全员出勤率6 6 ％计算，则5 3 下0 9 工作面需要人数为7 6 0 ．6 6 1 1 5 ．2 人≈1 1 6 人。 济三煤矿采煤工2 0 0 9 年年均工资为7 ．8 5 万元，2 0 1 0 年年均工资为8 ．6 4 万元。以2 0 1 0 年工资标准为计算依据，则综采面人工费比综放面人工费节约 为 1 3 4 人．1 1 6 人 8 ．6 4 万元／人 1 5 5 ．5 2 万元 济三煤矿5 3 下0 9 工作面综放与综采的费用比较汇总见表2 6 。 表2 6 综放与综采的费用比较表 T a b l e2 6C o S tt a b I ec o m p a r e d 如I I ym e c h a n i z e dc a v i n gw i t h 如I l ym e c h 锄i z e d 类别 节约额 万元 材料费 设备租赁费 电费 配件费 人工费 合计 6 8 ．5 2 4 6 ．4 l 2 0 8 ．9 1 1 8 ．1 1 5 5 ．5 2 7 9 7 ．4 3 从表2 6 中很容易看出综采在生产成本方面的优越性，因此从生产成本 比较来看，综采是济三煤矿3 ～5 m 不稳定厚煤层开采的首选采煤方法。 硕士学伊论文 2 ．5 本章小结 通过对不稳定煤层的特征及形成原因和开采存在的技术难题研究，结合 采煤方法选择原则和济三煤矿的可采煤层情况及地质特征，重点对综放开采 和一次采全高综采的优缺点和生产成本进行对比分析。结果表明，在目前的 开采技术和装备技术条件下，采用一次采全高综采可以满足济三煤矿3 ～5 m 不稳定厚煤层的开采要求，能实现安全高产高效生产，同时，一次采全高综 采在生产成本方面具有很大优势。因此选用一次采全高综采对济三煤矿 3 ～5 m 不稳定厚煤层进行开采。 ． 3 一次采全高综采T 作面来压模拟分析 3 一次采全高综采工作面来压模拟分析 3 ．1 济三煤矿矿压概况 矿山压力是指由于地下采掘而产生在井巷、回采工作面周围煤岩体中及 支护设备上的作用力。人们一直从顶底板移尽量、支架破坏程度、顶板初次 来压压力、周期来压压力及步距、支承压力分布规律等诸多方面研究矿山压 力。 济三煤矿已开采工作面及开采3 下煤的顶煤初次垮落步距、直接顶初次 垮落步距、基本顶初次来压步距、周期来压步距见表3 1 。 表3 1 已采工作面顶板来压情况统计表 1 ’a b l e3 - 1S t a | t i S t i c a 】t a b l eo ff I o o fw e i g h t i n gf } o mm i n e df I a c e 根据地压观测资料，本井田矿山压力显现有以下特点 1 顶煤的厚度越大，项煤初次垮落步距越大；顶煤的完整性越好，顶 煤初次垮落步距越大；顶煤的硬度越大，顶煤初次垮落步距越大。 2 煤层的厚度越大，直接顶的垮落越充分，基本顶的暴露范围也越大， 支架的工作阻力也随之增高。 3 工作面内的断层对顶板的垮落步距和来压步距有很大影响。 4 由于工作面内岩石的厚度、裂隙发育的不均一性，造成工作面来压 的不一致，或早或晚，来压步距或大或小，但均保持一定范围。 5 来压过程一般持续1 ～2 天，周期来压步距在2 0 ～3 0 m 之间，工作面 每天进尺在1 0m 以上时，整个工作面内的来压阶段与相对稳定阶段区分不 开。 3 ．2 数值模拟软件F L A C 3 D 简介 F L A C 3 D 是岩土工程领域内的一种大型专业软件n 8 一钆她2 ，能较好的模 1 9 硕士学伊论文 拟矿井地下开采所涉及的岩土力学问题，为此煤矿开采领域越来越广泛的应 用此软件，最主要的应用是模拟计算工程中遇到的力学问题。F L A C 3 D 用来 模拟三维岩石、土壤及其它材料所发生的力学行为。空间结点构成的多面体 组成模型，它可以模拟任何复杂的物体形状。如果给定材料本构模型，线性 的或非线性的材料力学特征都可以用F L A C 3 D 模拟分析。软件采用显式拉格 朗日快算原理和混合离散单元划分技术，可以用来模拟材料的塑性破坏和塑 性流动行为心副。由于不用建立矩阵，所以仅需要非常小的内存就完全可以完 成大型的三维计算。 F L A C 3 D 可以在D O S 命令模式下运行，也可以在W i n d o W s 菜单模式下 运行。在W i n d o w s 模式下，可以使用图形用户界面执行诸如打印、显示、文 件输出和输入等一系列操作，非常便捷。 F L A C 3 D 具有非常强大的计算功能，能够解决力学，尤其是岩土力学领 域的许多复杂问题犯朝。为了模拟计算方便，F L A C 3 D 提供了1 1 种本构模型， 它们是空模型、各向同性弹性模型、材料横向同性弹性模型、材料正交同性 弹性模型等弹性模型，德鲁克一普拉格塑性模型、莫尔一库仑塑性模型和应变 软化／硬化塑性模型等塑性模型乜4 ’2 5 崩3 。 F L A C 3 D 在模拟结构方面也具有强大的功能，F L A C 3 D 提供了I n t e r f - a c e 或叫S l i p - p l a l l e 模拟单元∞1 ，用来对断层、层理、节理等弱面及摩擦接触面 等模拟。F L A C 3 D 还提供了S t r u m e s 模拟单元，用来对巷道衬砌、堆衬、 锚杆、桩基等支护结构体模拟。 F L A C 3 D 功能强大还表现在它可以对固、流、汽多相行为啪3 进行模拟， 可以对冲击波、地下水渗流、热传导、材料力学等多种形态行为的单一或耦 合作用进行模拟。 本论文将在以下四方面应用F L A C 3 D 1 模拟开采过程中顶板下沉量变化大小，进而确定支架支护强度； 2 模拟分析工作面应力分布情况； 3 模拟分析工作面煤壁片帮情况； 4 模拟分析工作面一面采空和两面采空条件下的冲击地压危险性。 3 ．3F L A C 3 D 数值模拟模型建立 模拟模型中，煤层及其顶底板岩层主要参考5 3 下0 6 工作面实际综合柱状 图确定 如图3 1 所示 ，模型模拟高度为1 8 4 ．1 8m ，其中顶板模拟厚度为 1 6 3 ．6 5m ，底板模拟厚度为2 0 ．5 3m 。 2 0 3 一次采全高综采T 作面来乐模拟分析 地层年崖∞拄撬岩层名眷置着乜j l 蜷 厂、o ‘ 雠 蛆．舶n 礼加 墨置芝 上薛阻袭慧色糙。夹帝畸紫色．下霄取塌 她3 口 衷色为主胡辅确9 ●捆移岩． 下 蟪．曲t 枷锄彳去霉 2 S 0 ／一。 青山 厩鼍{ 咖l - 犯 麓 景色．阻隽蛾为主，瞎碉强I 之。 0 ∞仉7 0 祀岩；窝藏色．富古揸偿报警化石． z ．∞j 巴铷【 ⋯厂j碧雠、曩≯岩t 硼 ≠专 ⋯．J ⋯ 挥瓤邑- 局霄为粗净糟与霸．移酱互最． Z ⋯ 一 ， 中砂岩 专 生I 西 艮O 蛔{ 拿国 一L 一 捷获色至灰白色．虚分珥石荚为主。长石 盈丛 乒享k 班之．古少量曙目r 暂．局蕞麦少量髓黪 ．I 告爰发质曩蘑，掘j U 酷，具壁麓覆辩层囊} ． ，／一 之3 伊一E ∞ 囝 _ 陆曩晦囊嚏酎哺口，未啊} l H 鼬， 量 氛毗 生曩豫窆霄，雌i 量5 3 ‘曲．2 2 囊移学 ∞ 挥囊惰．．下部醴糟嘲莹老圭，向匕掘皆蛭 鼻熏瓮氲爱斯增多．鼍式- 嘲b 置风化． P ． rP l，I ‘9 B ∞文筋 糟胡磷磐互屋蝴一表平层理．舌吵量 T ．3 S 着移岩包I t ●b 具爰尊。 石上走 爱 囊 置 一 鲴暂移宕互晨 系堑 CG毛 图3 1 模拟参照钻孔柱状图 F i g u r e3 1m eC 0 1 I H n l l a rS e c t i o no fS i m u l a t i n gR e f l e r e n c eD r i l l i n g 在数值模型中，煤层及直接顶、．基本顶和直接底等岩层均按实际平均厚 度来确定。模型上方还有5 0 0m 左右高度的岩层尚未模拟，未模拟岩层按等 效载荷代替。等效载荷按下式计算 尸 ∑H p g 3 - 1 ●_ 。一 式中日煤层上方未模拟煤层的厚度，取5 0 0 ，单位为m ； p 相应的煤岩层密度，取平均值2 7 0 0 ，单位为b ／m 3 ； g 重力加速度，取9 ．8 1 ，单位为州s 2 。 整个模型4 个立面和底面边界约束条件采用位移约束，均为固定法向位 移。 煤岩层物理力学参数按试验室测定数据给定啪1 ，没有试验数据的岩层属 性按岩性的平均取值给定如表3 2 。 ‘ 硕士学位论文 表3 2 数值计算选取参数 T a b l e3 二2S e l e c t e dp a r a m e t e ro fn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 模型中层理弱面用I N T E 对认C E 模拟；支架用B E A M 单元模拟。模型四 个边界均是固定法向位移，底端边界固定垂直位移。整个模型共划分单元 2 4 1 5 5 0 ，结点3 6 6 2 5 4 。 下图3 2 和图3 3 为模型赋存状态图和平衡后的应力状态分布图。 图3 2F L A C 3 D 数值模拟模型 F i g u r e3 2F L A C 3 DN u m e “c a lS i m u l a t i o nM o d e l 2 2 3 一次采全高综采工作面来压模拟分析 图3 3F L A C 3 D 数值模拟应力云图 F i g u r e3 3F L A C 3 DN u m e r i c a lS i m u l a t i o nS t r e s sN e p h o g r a m 3 ．4 工作面来压特征分析 济三煤矿五采区3 下煤层直接顶较薄，甚至没有直接顶，基本顶则多为 厚层状砂岩，硬度系数．厂 8 1 0 ，致密坚硬，矿山压力显现较为明显。综放 开采松软顶煤的存在有利于吸收和转移顶板压力，大采高开采产量更大，推 进速度快，且液压支架顶梁接触的是硬度较大的直接顶，其开采过程中的矿 压显现必然有别于综放开采。采用数值模拟对五采区一次采全高综采工作面 矿压显现特征进行模拟分析，预测工作面初次来压和周期来压步距等矿压显 现特征，这对保证工作面安全生产具有重要意义。 3 ．4 ．1 工作面矿压显现规律数值模拟分析 数值模拟共模拟了大采高综采工作面自切眼推进至16 0m 工作面前方应 力变化情况，由图3 4 可以看出随着工作面的推进，在煤壁前方应力集中 区域不断向前发展，超前支承压力峰值始终位于煤壁前方6 ．Om 左右处。 l 篇嚣嚣裟謇 s i 端囊鎏瑟 F 可彳囊{ _ ．翻； 曩∥1 可_ j _ ●Z ■薯可叩零 l ；意黧；嘶 _ j 尝鬈矗器嚣 l 誊篓i i 篡孽 ■‘‘’‰F ‘’⋯ L r ，j 蚋竹㈧∞* - r 禽．嚣絮誓嚣警 需戮露蘸纛 2 3 硕士学位论文 I 。| 7 、，i }j．．I7 ．‘‘ c 6 0m f e 、10 0m i _ ．，肿厅n w } 岬‘ J ．f M ㈣J t ■T ∞∞P 抒 蝴●●峨 盘⋯‰‰“ ⋯口_ ‘■二⋯ l ㈣u l lL ’ g 1 4 Um h 1 6 0m 图3 4 大采高工作面应力分布云图 F i g u r e3 4t h eS t r e s sD i s t r i b u t i o nN e p h o g r a mo fL a r g eM i n i n gH e i g h tF a c e 大采高综采工作面超前支承压力峰值随工作面推进的变化情况如图3 5 所示，由此可判断顶板的来压特征和超前支承压力分布特征如表3 3 所示。 从图表可知，大采高综采工作面基本顶初次来压步距为5 0m ，周期来压 步距平均约为2 lm ，略小于综放工作面，支承压力峰值均位于煤壁前方6m 处，应力集中数也略小，表明采用大采高综采开采时，煤体承受顶板压力反 而略有减小，因此相对综放开采，采用大采高综采并不会增加工作面的冲击 危险程度。 2 4 3 一次采全高综采工作面来压模拟分析 图3 5 大采高工作面超前支承压力峰值随工作面推进的变化情况 F i g w e3 5C h 锄g i n gS i t u a t i o no f L a 唱eM i n i n gH e i 曲tF a c eL e a dA b u n n e n tP r e s s u r eP e a k F o l l o w i n gW 6 r k i n gF a c eP r o m o t i n g 表3 3 模拟顶板来压结果 1 曲l e3 3R e s u l t so fs i m u l a t i n gr o o fw e i g h t i n g 3 ．4 ．2 工作面煤壁片帮模拟分析 工作面煤壁片帮是采用大采高开采时必须要引起重视的一个问题。在开 采过程中，煤层、底板、顶板三者形成一个平衡系统汹’3 h3 别，其中顶板、底 板岩层的强度都比煤层大，开采时必然对前方煤体产生扰动，促使应力重新 分配，当应力的重新分布使煤体达到临界状态时，有可能导致煤壁片帮。 众所周知，采高对工作面煤壁片帮有重要影响。采高越大，煤壁无约束 2 5 硕士学何论文 空间越大，煤壁变形破坏也会越严重，因此片帮机率也越大D 驯。经验表明， 当采高在某一范围时，煤壁片帮会处于较为容易控制的状态，当采高超过某 一特定值后，煤壁片帮的可能性和严重程度都会大大增加，这一特定值便可 作为大采高工作面采高的极限值口钔。 图3 6 为割煤高度与煤壁最大水平位移的模拟结果，从中可以间接的判 断煤壁片帮程度。由图中可知，随着采高的增加，煤壁片帮不断增大，当割 煤高度乃 3 ．Om ，3 ．5m ，4 ．Om ，4 ．5m ，5 ．0m ，5 ．5m ，6 ．Om 时，煤壁最大水平位 移分别为5 0 6m m 、6 9 1 m m 、7 9 4 m m 、8 0 6m m 、8 8 8m m 、1 0 4 8m m 、1 2 0 0m m 且最大值均出现在煤壁中部，表明片帮最有可能从煤壁中部开始发生。 c 而 5 ．O m lF L { 3 n1 ．I 廿 l - 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