基于应力壳综放面顶煤岩运移规律研究.pdf

瘩微理Z 大学硕士学位话吏 p7 7 6 7 1 1 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 专业名称采矿工程 研究方向矿山压力及控制 指导老师谢广祥教授 研究生常聚才 中国．淮南 安徽理工大学 2 0 0 5 年4 月 摘要 本论文采用F L A C 3 D 计算机数值模拟、实验室相似材料模拟实 验、现场观测以及理论分析等综合研究方法，对较薄厚煤层综放面 顶煤岩应力分布、位移、破坏机理及运移规律进行了系统深入的研 究。得出了顶煤、顶板的应力分布及运移规律，认为应力壳是导致 顶煤岩破坏的主要因素，并且顶煤的运移符合宏观损伤原理。该研 究成果为综放面合理的放煤工艺参数的确定提供了理论依据，有助 于顶煤的可放性的研究分析，对提高了综放面煤炭回收率、降低含 矸率有重要的现实意义，为其他类似条件下的综放面提供了有益的 借鉴。 关键词综放较薄厚煤层顶煤岩运移规律应力壳 中图分类号T D 8 2 3 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r , c o m p o s i t i v er e s e a r c ht e c h n i q u e si n c l u d i n go ft h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n s i t um e a S u r e m e m ，e q u i v a l e n tm a t e r i a ls i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ec a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t et h es t r e s sd i s t r i b u t i o n , f a i l u r e m e c h a n i s ma n dd i s p l a c e m e n ta n dm o v e m e n tl a w so ft o p ．c o a la n dr o o fi nf u l l y m e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n g F M T C f a c ew i t ht h i n n e r - t h i c ks e a m ．T h es t r e s s d i s t r i b u t i o n ，d i s p l a c e m e n ta n dm o v e m e n tl a w so f r o o fa n dt o p c o a la r ep u tf o r w a r d ． T h er o o fa n dt o p C O a lf a i l u r ea n dm o v e m e mi n d u c e db ys t r e s ss h e l l ，a n dt h er o o f a n dt o p - c o a ld i s p l a c e m e n ta n dm o v e m e n tf o l l o wd a m a g et h e o r y ．T h er e s u l t sp r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o rm a k i n gar e a s o n a b l ed r a w i n gt e c h n o l o g ya n dc o n t r i b u t et o f u r t h e rs t u d yt o p c o a lc a v i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ．T h er e s u l t s a l s ob e n e f i tt oi m p r o v et h er e c o v e r ya n dr e d u c er e f u s ec o n t e n ti nF M T Cf a c e ．A tt h e s a m et i m ei tp r o v i d e sb e n e f i c i a ll e s s o n sf o ro t h e rs i m i l a rf u l l ym e c h a n i z e dl o n gw a l l t o p C O a lc a v i n gm i n i n g ． K e yw o r d s f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ，t h i n n e r - t h i c ks e a m ， t o p c o a la n dr o o f , d i s p l a c e m e n ta n dm o v e m e n tl a w s ，s t r e s ss h e l l C B C N T D 8 2 3 n 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 1 绪论 1 ．1 问题的提出 煤炭作为主要能源，在全世界范围内一直占据着十分重要的地位I “。中国是一个产煤 大国，2 0 0 4 年全国原烧5 2 量1 9 ．5 6 多亿吨。据专家预测中国7 0 ％以上能源来自烧跌的能源 构成状况在相当长的时间内不会发生大的变化。随着中国现代化建设和经济迅速发展，中 国的能源消费必将迅速增长，对煤炭的需求也将迅速增加【2 】。中国厚煤层储量丰富，约占 探明总储量的4 5 ％，醇噪县产量亦占原煤总产量舶4 5 ％左j 白{ 3 】。因此，厚畴强_ 丌采效益的 好坏，对煤炭企业的发展起着举足轻重的作用。而综合机械化放项煤 简称综放 开采具 有高产高效、生产集中、成本f 氏等特点，己成为我国厚煤层的主要开采，弛掣。 但是我国自推广应用综放开采以来，平均回采率只有7 9 ％，较高的在8 5 ％，较低的甚 至低于7 5 ％t 目。而对于复杂条件下的较薄厚煤层的综放开采，这一矛盾更加突出。综放工 作面采空区遗留残煤既浪费国家资源，又为采空区自然发火提供了可燃物质，给安全生产 留下隐患。因此，如何减少顶煤损失，提高工作面回收率，一直是综放开采技术瞻广_ 应用 过程中的一个重要研究课题■。 放顶煤开采工作面煤炭损失主要包括工艺损失、初末采损失及区段煤柱损失等，其中 工艺损失即放煤损失，在正常情况下，损失率为7 ％～1 2 ％，般占工作面全部损失的l 陀 到2 ／3 ，损失的多少直接与放煤工艺 放煤方式、放煤步距等 、煤的可放性 冒落时项煤 的破碎程度，块度大小等 、煤厚、支架架型等因素有关。其中放煤工艺和支架架型两因素 是可以通过不断改进可轻易减少损失的嘲。而放煤工艺的改进又必须以了解和掌握顶煤和 顶板的运移破坏规律为前提，因为综放开采的实质是利用矿山压力自然破煤，根据煤体自 重落煤，所以顶煤破碎是前提条件，而顶煤的破碎与顶煤和顶板的运动规律是息息相关的。 尤其是项蟮静铰薄的情况下，顶煤较易破碎易导致放煤I E I 混矸严重，在影响放煤效果的同时 造成综放工作面回采率低。对综放面顶煤和顶板的活动规律的研究，有助于确定顶煤的可 放性、有效控制工作面端面冒顶和噪壁片帮、确定合理的放煤工艺和支架参数，M 而提高 煤炭回收率，提高实际生产效益。因此开展综放面顶煤和项板活动规律研究十分必要。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 顶煤的变形与运移研究现状 国外，对放顶煤开采技术的理论与实践有一定的研究。具有代表性的是法l 雪的J ．P 皮 凯对布朗基煤田达尔西矿D 放顶煤工作面的矿压研列”，主要观测顶底板移近量、支架工 作咀力、顶煤移动。观测结果表明①放顶煤开采顶底扳移近量很大，在工作面采空区处 垂直位移达1 0 0 0 m m ；水平位移为垂直位移的二分之一；②珉畴移动开始点距煤壁为6 m ， 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 在煤壁后方顶煤的水平位移量是垂直位移量的2 3 ％； 项煤的水平位移是由两个分量合成 的，即垂直于煤壁的最大分量和平行于煤壁的较小分量，其中平行于煤壁的较小分量总是 指向顶煤的冒落方向④在采动影响下，顶煤水平位移实际上是使整个煤层向采空区滑动。 在这种变形与位移影响下，顶煤完全松动并与顶板脱离，它的松动范围在煤壁前方几米远， 在达尔西矿约为3 m 。顶煤的移动，使工作面周围的煤体松动加剧，造成项煤不稳，同时 影响煤壁稳定和影响正常的落煤和移架；⑤作用在支架E 的载荷等于项梁E 方煤体的重量， 支架后立柱常常显示负工作阻力，或等于零。顶煤变形状态如图1 ．1 所示。 图1 ．1 达尔西燎嘲燥爰咒≥H 专蠡图 研究结果认为，煤层厚度是控审蟛卿骗哪理的重要参数。在达尔西矿，割煤工作面高 度为2 ．5 ～3 m ，而放】炅噪高变为9 ～1 0 m ；利卡尔矿工作面割煤高度为2 ．5 m ，放煤高度为 2 ．5 m ，通过观测，两工作面顶板下沉速度之比接近1 。所以放煤高度与害愫高度不是主要 参数，而是煤层总厚度。 由此提出融可删躲更适于煤质中硬的特厚煤层；焰混厚度是控制嘟田聊黼的重要 参数，并建立了与煤层厚度相关的顶底板移近量表达式 C 。2 0 0 q M - 1 ／4H 一1 ／4 旦 B 1 ．1 p 。 式中，C v 为工作面推进l m 的顶底板移近量；M 为煤层厚度；q 为采空区沉降系数；H 为 开采深度P 。为支架平均支撑力；a ，B 为常数。 通过对罗兹莱矿S ．3 ．B 放顶煤工作面的研究认为在煤层中如果含有夹石层，则夹石 层成为顶煤加固物，推迟了顶煤的松动，影响项煤的正常冒落和放出。 放顶煤工作面被认为是个动念应力分布场。工作面推进速度往往比顶煤松动速度快， 而且由于放煤，采空区面积较大，造成取噪I 糊范围较大。 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 在国内，通_ 过对实际放顶煤工作面的观测及相似捌荆模拟试验和数值计算，列面．媒的 活动规律和工作面内矿山压力显现也有了较深亥恻姒识。尤其是对顶煤运移和破坏的分区 研究，众多学者对此提出了各不相同的观点。 通过实际观测吴健教授和于海勇博士认为罔，顶煤移动全过程可分为两个阶段，即I 冒落前移动阶段和I I 冒落后移动阶段。阶段I I 又可分为冒落过程I I 。、再压实过程I I 。和放 煤过程I I 。，如图1 ．2 所示。阶段I 影响放顶煤开采实用界限及合理参数的确定，阶段I I 为 确定合理放煤工艺形式提供了重要依据。 I I ．I I ，距，巢壁m 图1 ．2 顶煤移动全过程曲线 靳钟铭教授研究认为{ 9 】，顶煤采动后在煤壁前方支承压力作用下，顶煤变形可分为四 个区，即显著变形区1 、顶煤压裂区I I 、顶绉凇动区ⅡI 和放落区Ⅳ 如图1 ．3 所示 。 卜』J L 』L 十“叫 图1 3 顶煤变形分区图 I 区处在支承压力峰值靠向煤体深部，为弹性变形区，有明显裂隙变形；Ⅱ区为塑陛 变形区，即支承压力峰值点至煤壁，裂缝成x 型开裂，顶煤呈现大块整齐排列，在该区内 水平位移约为垂直位移的两倍；在I I I 区，底煤采出后，支架匕方的顶煤支承压力趋于零， 在支架反复支撑和采煤的影响下，顶煤沿已开裂缝松动，垂直位移约为水平位移的1 0 倍。 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 下位顶煤的垂直位移大于E 位顶煤的垂直位移；在Ⅳ区，顶煤形成下小上大的块度，在顶 煤放出时形成平衡拱，阻碍顶煤放出。此时应破坏拱顶或移动前后拱脚，促使顶煤进一步 超前松动和放落。 史元伟教授研究认为[ 肛“】，顶煤的性态对工作面支架一围岩力学相互作用特征有重大 影响。顶煤冶控顶区方向可分为两个区，即剪切裂隙区 前区 、压拉破坏区 后区 或称 完全塑性区。前区是指近煤壁和支架前半部，主要是超前支承压力作用的结果，后区是指 支架后半部，可根据极限平衡理论计算。 于政喜、张晴和高级工程师i 蘑过二维塑性有限元分莎嗣究了顶煤破碎机垂鲈2 】。研究结 果认为顶煤的破碎分为三个阶段，即开裂和强度跛环阶段I 、裂隙分叉和汇合阶段Ⅱ、断 裂阶防Ⅱ如图1 ．4 所示。在I 阶段，为采动应力升高区。顶煤在该区内，经历了裂隙闭合、 裂隙开裂、裂隙扩展和强度失效过程；在I I 阶段，顶煤在采动应力和支架反复支承作用下， 裂隙分叉并汇合，伴随产生剪切断裂，裂隙迅速扩展；在Ⅲ阶段，顶煤在外力的继续作用 下产生碎裂，使项煤的整体结构失稳。影响顶煤破碎的因素主要有三个煤层特征、采动 应力、支架的顶梁长度。煤层特征主要用煤的硬度、煤体节理裂隙发育程度和煤层的夹矸 岩性和厚度来描述。采动应力的大小由开采深度、煤层顶板结构及性质、工作面长度和煤 层特征决定。顶梁的长度对顶煤破坏效果影响比较大，顶梁长，可使顶煤破碎加剧。 量 支枣曼鼻宝鲣 ∥＼一 _ ／ i0 ． 一 ； 毒羹童是蕊L 盎 k 电嚣 1 1 丁仂弦m 箸 A Bcm 需 、 二二二，_ 一 一1 ．，，／，／ 图1 ．4 顶煤破阐价段的划分图1 ．5 顶煤破坏分区 a b 王庆康教授和张顶立博士采用有限元模拟计算方法对放顶煤工作面中部项煤的变形和 破坏规律进行研裂1 3 1 。认为项煤破碎是支承压力和支架共同作用的结果，顶煤的变形可分 为四个区，即完整区A 、破坏发展区B 、裂隙发育区C 和破碎区D ，如图1 ．5 所示。 张海戈博士通过观测分析认为4 J ，按测点裂隙和发育地近似等位移累计量，可将软弱 顶噪位移分为三条发育线，即微动线、显动线和滑动线，如图1 ．6 所示。微动线是顶煤发 生位移最先出现的裂隙线，由微动线进而发展为显动线，到了放煤口附近开始滑动冒落， 形成滑动线。显动线是位移累计量达到5 0 m m ～6 9 m m 点的连线。在此阶段，随着工作面 4 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 的不断推进和自由面的向前移动，顶煤中裂隙相互贯通，将顶煤切割为不同形状、不同体 积的块体，此阶段的位移量比较显著。滑动线是顶黼落曲面与沿走向垂直于煤层层面的 平面相交所得的曲线。般来说，煤越软，滑动线的角度越大，反之越小。 a 一未动区b 一衡量曩 形区c 一显著变形医；d _ 失稳区 图1 ．6 强瞄彤霭噼揪 闫少宏博士研究认为Ⅱ日，顶煤的弱化过程实际是种介质的损伤过程，并借助损伤 力学的部分观点和介质判断准则研究了顶煤的破坏分区 图1 ．7 ，提出了顶煤分区的力学 方法，建立了顶煤运移的损伤特性物理方程。研究中针对实测顶煤的位移曲线，提出了两 种判断顶煤的分区方法，即①将不同层位的s L 曲线平均，用一个近似的s L 曲线方 程作为顶煤的位移曲线i 挂行分区判断；②利用现噪不同层位的位移曲线，以下位层自雏9 眵 特征作为条件予以判断并将其与上位层线之间的煤体划为个分区。 图1 ．7 ] 刘某的破q 、分区 张勇博士认为【l 刀，顶煤可视为宏观E 连续、亚观匕断裂的介质。在宏观E ，从实澳0 顶 煤位移量出发，确定其损伤后的有效弹陆陵量，结合现有弹塑性理论解决其变形破坏问题。 在亚观匕根据格里菲斯 拉应力 准则，分析了顶煤内部主应力和裂隙的扩展方向，用 裂隙扩展和张开对顶煤的移动特蝴定胜解释，并引入了顶煤母解系数的概念，依次作 为定量描述顶煤内部裂隙发展状况的参考。 陈忠辉博士、谢和平院士和王家臣教酾酿蝼雉汾析研究认为””，综翮∞而静商螺中， 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力峰值位置，位于煤壁前方5 ～ 7 m 处。 康立军工程师通过相f 嘶拂} 和数值模拟分析了顶煤的破碎机皤⋯。认为在煤壁前方胁 处顶煤中垂直应力达到峰值，之后向采空区后方迅速衰减，顶煤内裂隙的扩展和贯通方向 与铅垂成2 0 。左右夹角。 目前国内翅郁少学者列罚瑙l } } i 事力l 嘶辩了研究，大大丰富了茄①携秘娩，推动了放 顶煤技术的发展。但仍有许多问题亟待深入研究，如顶煤移动具体遵循何种规律，应当如 何定量化 顶煤的破碎机理是什么 项煤中不同被处移动规律有何区别等 这些对于更 有效地控制顶煤的放出、降低混矸率及提高顶煤采出率都是具有重要的意义。 1 ．2 ．2 顶媒冒落觌律的研究现状 在冶金矿床崩落法放矿椭球体理论研究成果的基础E ，吴健教授和他的学生胡伟、于 海勇博士针对放顶煤开采的特点提出了放煤椭球体理i 龟I x M ”。该理论认为，在矿山压力作 用下，顶煤不断损伤破坏，在放出前形成散块状介质。在放出时该介质可视为松散介匝 散 体 处理，放出体近似看成是长轴为放煤高度的旋转椭球体。在放出体的外部存在松 动椭球体，破碎项煤在松动体内部发生二次松散。 J 放出漏斗＼r ／ ∥ 放出体‘ 一l1 U 图1 ．8 散体的宏观运动 由于实际放煤生产的复杂性，放煤拍球体理论也在不断发展、完善。于海勇博士提出 椭球缺和偏转椭球缺的概念劂，并认为椭球缺表面上的松散颗粒仍将同时到达放煤口。张 勇博士通过大量散体模型试验研究认为‘“，当放出体高度小于三倍放煤E l 直径时，放出体 呈拱形；当放出体商麦大于三倍而小于五倍放煤口直径时，放出体形状湖0 ，下部呈圆 台状、上部呈拱形；当放出体高度大于五倍放煤1 3 直径时，放出体呈“椭球体 圆柱 抛 物锥体”。 靳钟铭教授、宋选民博士等研究认为”0 1 1 2 2 1 ，不同硬度的顶噪可形成不同的冒放特征。 6 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 当顶煤为硬煤层时，垮落角较小，如图1 ．9 a 所示。从总体上看，顶煤冒落呈现块体铰接， 形成桥拱式结构，放出体为抛物形全拱。对煤体强度很低的软煤层，在般的埋深条件下 支承压力就能使其破坏，随支架前移而及时垮落。从总体匕看顶煤呈散体冒落，形成拄状 结构，垮落角约9 0 0 ，放出体为搬转体，如图1 ．9 b 所示。当煤层强良中等，中碉剿醒半 块半散体冒落，根据支架顶梁尾部附近顶煤是否形成松动死区，可形成两种不同的冒落结 构，如果支架顶梁尾部附近顶煤破碎充分，则可形成柱状冒落结构，如图1 ．9 b 所示；如果 支架顶梁附近的项煤破碎不充分，则形成如图1 ．9 c 所示的松动死区A ，打开放煤口后，下 部顶煤以垮落角边为前缘呈拱形放出；升降支架，E 部项煤进一步松动，在压力作用下沿 4 5 0 口／2 驴内摩擦角 滑移面放出，呈半拱式冒落结构，放出体似椭柱状。 b 图1 ．9 放项煤工作面] 页煤冒落形态 谢广祥教授和黄金桥博士通过计算机对散体项煤放出过程可视化仿真认为唰，不同位 置的顶煤散体移动速度不同，随着放出量的增多，逐渐形成放出漏斗，与沙漏现象相似。 顶煤放出体形态为近似的旋转椭球体，椭球体的中心} 由有的发生偏转。 而王家臣教授、富强博士针对三软煤层，提出的散体介质流理论揭示的1 氐{ 皿船页煤综 放开采顶煤流动与放出规禾掣2 4 】，证明放矿椭球体理论不适用于低位放煤的放顶煤技术。 理有研究认为嘲口湖，在放煤过程中，放煤步距对摇滞0 顶煤损失起着非常重要的作用。 放煤步距过大，不能孜出的煤体也大；蒯某步E 巨迂￡，J 、，在顶荆辫蝴i 2 解i 完全放出之前， 后方矸石已拯0 放煤口，同样造成铰大量的煤体损失。只有选择个合理的放煤步距，才 能往撤煤口上方矸石和采空区侧矸石同时拯0 放煤口，这时噪体损失量最小。如图1 ．1 0 所示，即要求在放煤区内E 、F 两点在放出煤体A 时，同时在放出体的周边上，并且给出了 计算最佳放煤步距的数学公式。 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 n d ] q 、n1 7 口口h 卞_ 闪nn 口m l ‘ J ] 溺 I h 城 一 1劣一 Y _，伍 bI 图1 ．1 0 最佳放煤步距盼喃定 1 ．2 ．3 放预煤开采顶板活动规律的研究现状 钱鸣高院士等总结了多年来自勺瞬≠跚猓，针对编孜开采的实际隋况，提出上覆岩层活 动的“关键层”理论陟铡，该理论认为在采场上覆岩层中存在许多坚硬岩层，对岩饰括动 全部或局部起决定作用的岩层称为关键层。关键层具有几伺特性、岩性特性和破断特征外， 且有承载特性，即关键层破断前以板 或简化为梁 的结构形式作为全部或局部岩层的承 载主体，破断后若满足岩块结构的S R 稳定，则形成的“砌体梁”结构继续成为承载主体。 关键层的破断将导致全部或局部匕部岩层的同步断裂，引起较大范围岩层移动。 吴健教授研究认为刚，放顶煤采场E 覆岩层存在由众多断裂岩块所组成的梁式自稳结 构。该结构的力学特征是岩梁由众多断裂岩块所组成，断裂岩块的长度具有随机陛和不 确定性，其值般远小羽盈常所说的周期来压步距，该岩梁本身不具有抗拉强度，但在水 平挤压力的作用下，表现为具有一定承载能力和较大的变形特性如图1 ．1 1 。并提出综放开 采支架围岩关系的新概念口1 】在支护体系中，支架垂直和水平支撑力P ；和P h 、支架支撑 合力作用点与煤壁的距离L 和端面距b 起主要作用，这些参数有的是在交互作用时方能表 现出影响显著性。支架周岩相互作用效果根据顶煤破碎状况或顶煤内拉应力区分布的数 值计算来判断。 图1 ．1 1 采场围岩结构力学模型 宋振骐院士等提出的放顶煤综采条件下的采场结构模型1 3 N 1 ，与同煤层分层开采相 基丁应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 比，该结构模型有如下特点①由于采出煤层厚度的增加，冒落岩层总厚度即直接顶的厚 度将比分层开采大的多；②硕煤的实际回收情况对采场结构组成状态及相关参数的影响很 大；③由于一次采出煤层覃度的增加，出现内应力场的可能性及外应力场所伸展的范围都 比分层开采条件大得多。研究证明，内应力场范围与一次采出的煤层厚度近似呈正比。在 放顶煤开采条件下，跨落的直接顶厚度与采空区残留的浮煤高度间的关系式可用式1 ．2 表 刁R r 吃 一 s 』 A r ，，。 删z 1 _ 二一1 u ‘纠 ‘ K d 一 式中朋．直接项厚度， ，顶煤厚度，％底煤厚度； S 。岩石梁触旰点的沉降直，足。冒落拓的碎胀系数。 靳钟铭教授等认为【1 0 1 1 3 4 1 ，放顶煤采场顶板岩层垮落前，顶．板岩层的各层位在某一点处 水平位移和垂直位移与始动点的距离呈指数关系变化。老顶初次断裂自何能形成后搭桥结 构，周期来压时可能形成前搭桥结构，搭桥结构的失稳对采场影响很小 图1 ．1 2 。并通过 相似模拟试验的结果分析指出，由于综放采场顶板组成的差异，可形成四种顶板结构，即 砌体梁的半拱式结构、搭桥式传递岩梁结构、悬臂岩梁结构和压力拱结构。 a 后捌黼 b 前搭桥结构 幽1 ．1 2 放j 耐夥i 硅印页阪岩层结构 姜福兴教授通过晚场实测和相似陡‰苗验得出p 5 l 放厩繁秽历存在“煤一煤”、“煤一 岩”和“梁式”三种老顶结构，如图1 ．1 3 所示。这三种结构的位置随着顶煤的放出和煤岩 的厚度及强度而变化；放顶煤采场需控岩层的范围受顶煤放出率的控制，直接项和顶煤的 运动是采场内矿压显现的主要来源放顶煤采场支架对老顶只能采取“给定变形”的工作 方式，因此，支架与围岩关系的重点是对顶煤和直接项的控制，而目控制的重点是机道和 支架前部。 9 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 a “煤一煤”结构示意图 C o “煤一岩”结构示意图 c “岩梁”结十坜穗图 图1 ．1 3 放强峙朔朝碗绷{ 结构 在吴健教授的指导下，闫少宏博士研究认为[ 1 q ，顶煤对匕位岩层起“垫支”作用，顶 煤的反作用阻碍了E 位岩层的下洳垂动。而E 位岩层的下沉又促使了顶煤的再损伤、再破 坏，吸收了匕位岩层的部分能量。研究运用有限变形理论分析了放顶煤采场覆岩的运动特 性，提出了高位岩层形成宏观连续的“挤压拱”式平暂结构。 张顶立教授等提出的放顶煤采场E 覆岩层的结构模型认为口司即，相当于采高1 ～2 倍 的直接顶岩层冒落后形成不稳定的类拱结构，其失稳具有酶骶陛，在此以上的直接】页岩层 垮落后回转空间较小，可形成较稳定的类拱式结构。研究认为，在远离煤层的工作面上位 覆岩中仍然存在着“砌体梁”结构，该结构的形式和失稳对采场无直接影响，表现为在岩 块回转过程中迫使其下部类拱结构的失稳高度不断增加，如图1 ．1 4 所示。 煤科总院北京开采所古全忠工j { 呈| J 币等利用离散元数崮封炯力割耐聆博方i 去，研究 了放珉谋采场匕覆岩层移动规律，认为跚放】煲畴l 采场E 覆岩层运动结构是拱梁结构，拱 结构为动态非对称压力拱，上覆岩层运动实质是拱向梁的运动转换过襁图1 ．1 5 。拱梁 转换的实现是以拱顶的升高为条件，初采时形成的压力拱般是在老顶初次来压后刁运动 转化为临界拱梁结构，充分采动后，压力拱不复存在。 1 0 基于应力壳的综放面项煤岩运移规律研究 1 珏力拱2 一F 位岩层梁式平衡 图1 ．1 5 彭田删翮上覆岩层拱粱结构 诩广群彰啦弼f 究认为网，综赦面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳，与次开采的 煤层厚度密切相关，应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力。砌体粱结构位于宏观 应力壳下的减压带内，砌体梁结构折断与失稳会造成工作面周期来压等现象，但不会产生 很大动压，只有应力壳失衡才会造成剧烈的矿山压力现象。综放面最主要力学场特征是位 于E 覆岩层宏观应力壳保护下自勺f 氏应力区内，这也是综放面矿山压力显现趋于缓和的根本 所在。 由此可见，由于放顶煤开采顼板的活动空间增大，其形成的结构和运移规律也不同于 般的中厚煤层开采。 综E 所述，2 0 多年来，我国些高等院校、科研所和生产单位专家、学者、科技工作 者与工程技术人员围绕放厩噪技术与理论开展了许多研究，取得了系列成果，对推动放 顶煤技术发展起到积极重要作用，但同时也存在不足之处①对于顶煤岩运移规律、顶煤 冒放性和顶板活动规律虽然取得了定的进展，侄【i 丕是不能很妇铷獬释各r 荆矿压显珊现象， 尤其是在较薄厚谋层综放开采时的支架与巷道围岩的关系方面，故还需j 拄步地研究和完 善；②虽对项躁和顶板的活动规律遘行了系统的研究，但这些研究都有所侧重，针对性较 强，也主要是在中厚煤层综放开采时进行的，对于较薄厚煤层综放开采的研究过少，故有 必要对其作进步的硼究。 所以本论文将针对较薄厚煤层综放开采的特点，对顶煤和顶板的活动规律以及顶煤岩 的破碎杌理作进步的研究和探讨，力图在完善综放开采理论的基础匕进一步的提高采 出率。 1 ．3 论文研究的主要内容与方法 结合淮南矿业集团谢桥煤矿1 1 5 1 3 综赦面的具体地质条件和岩体力学性质以及1 3 一。 煤层的赋存特点，采用现场实测的方法对具体煤层条件下顶煤、顶板的运移规律进行观测 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 与分析，结合计算机数值侈戮{ 、实验鸯嘣以材料模拟和理论分析来描述和掌握放顶煤开采 过程中煤岩破坏、运移过程与规律，以便尽可能的提高项煤放出率同时控制含矸率，论文 研究的技术路线如图1 ．1 5 所示。整个研究工作主要包括以下几个方面 1 在收集分析大量资料的基础E ，运用三维计算机数值睛黝对综祯面黼的应力分 布、破坏区分布以及运移规带进行分析； 2 运用现场实测和实验室相似材料模拟的综合研究方法分析研究综放面顶煤、顶板应 力分布及运移规律； 3 在E 述工作的基础上，采用理论分析对综放面项墚岩的破碎机理和运移规} 季进行合 理的分析研究。 查阅、收集资料 L l 现场划。 计算柳卷睢澎￡姒相似材料模拟理论分析 | l 慧 顶煤、顶扳运移顶煤、顶扳变形 规律 及运移理论分析 综放面顶煤岩的破碎机理和运移规律 图1 ．1 5 论文技术路线图 1 ．4 论文研究的理论和实践意义 放顶煤开采过程中，顶煤和项板的活动规律一直是人们研究的重点，这是因为项煤和 顶板的移动规律直接影响到放煤的效果、工作面项板与煤壁的控制。对顶煤运移规律的研 究，有助于顶煤的可放性的研究分析，从理论上完善和补充了综嬲煤的顶煤岩的研究 及其矿山压力理论，并为进一步深化研究】j 谋的放出规律奠定了理论基础。同时，运用这 些理论来指导生产，改进放煤工艺，合理选择放煤步距和放煤方式，这对提高了综放面煤 炭回收率，降低含矸率及灰分有重要的现实意义，从而使综放开采技术得到良性的发展， 并取得更好的经济效益。 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 2 综放面顶煤和顶板运动规律的数值模拟研究 2 ．1 数值漠拟方法与其基本原理 2 ．1 ．1 数值模拟方法的特点 数值模拟方法是通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的代数联立方 程组来模拟结构系统的反映过程的。数值方法的突出优点就是能够较好地考虑诸如介质的 各向异眭、非均质特性及其随时间的变化、复杂边界条件和介翮寸墼戆懿￡杂地贡矧≈i 4 0 嘲。 近年来发展起来的快速拉格朗日分析 F a s tb a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u a ，简称 F L A c ，是一种新型的数值分析方法，对解决大变形问题十分有效M 。它首先由C u n d a l l 在8 0 年代提出并将其程序化、实用化。F L A C 基本原理与离散元单元法相似，但它却能像 有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解；在求解过程中， F L A C 又采用了离散元的动态松驰法，不需求解大型联立方程组 刚度矩阵 ，便于在缁舰上 实现。在计算中可以模拟真实的围岩特征，例如岩石的力学性质、节理层理等不连续面以 及乓它复杂的地质条件。采用的岩石及节理破坏准则主要是莫尔库仑准则和应变软化准 则，并可以利用设置的接口建立其它准则。该软件还可以模拟巷道开挖对围岩稳定性的影 响，同啪艮方便她计算分析锚杆、支架与围岩的相互作用关系。另一方面，F L A C 还能针对 不同材粒I 特性，使用相应的本构方程来比较真实地反映了实际防斟昨9 9 态行为。F L A C 软件 具有很强的后处理功能，可以绘制多种直力、应变曲线。J l j 步l - ，它的前殳归嘞能也较强。 2 ．1 ，2F L A C 的基本原理 1 基本概念 给定初始值和边界条件，有限差分是解决差分方程的传统方法【4 3 】。 F L A C 的般计算程序如图2 ．1 所示首先由运动方程得出新的速度和位移，根据速 度计算出应变，由应变速率得出新的应力；每个循环为个时步；图中循环的每步都 要对单元的相关变虱差行更新，例如，在匣力应变步，根据已算出的速率，计算每一单元 的新应力，在之后的计算中，速率是不变的，新的应力并不影响速率的数值。 ＼ 一 ＼匪委圈／／ 图2 ，1显式计货目蓐吓 1 3 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 显式方法的重要理论根据就是计算“波速”总是在物理波速之前。因此在计算中， 方程基于循环中已知条件就解。 2 场方程 最基本的运动方程就质量为研的物体的加速度d 西／d t 与所；g f 0 [ J 3 F 的关系，如图 2 ．2 所示为作用于物体的随时间而变化的力所产生的加速度i 、速率和位移“。 对于物体弹簧系统，牛顿运动定律为 m 旦旦F 2 ．1 出 对于连续固体，上式般为下述关系 图2 ．2 作用于物体的随时间而变化的力所产生的加速度甜、速率“和位移“ P 等 挈 昭。 式中P 物体密度； f 埘间； 矿挫标矢量； 扩_ 重力加速度； 一r 痖力张量。 3 本构关系 对于可变形固体，应变速率与速度梯度的关系为 铲糖 别 式中e F 哪妇塞率； “．速率a 力学本构定律可表示为 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 盯F M 仃p ，二口，k 本构定律最简单的形式是对于各向同性的弹| 眭体，可表达为 盯， 盯， { 巧。c K 一詈G ，。。 2 G e 。 △r 式中以克罗拉多符号； 2 ．4 血时步 G ，K 剪切和弹性模量。 4 边界条件 应力或者位移条件都可以施加于物体边界。位移边界条件通过给定点旋加速率实现 应力边界条件通过下式给出 式中，矿一j 出界法向矢量单位； 厶应力口施自晚摒的长度 砰施加于单元的力之和。 E 仃n 』血 2 ．6 2 ．2 数值模拟计算模型的建立 2 ．2 ．1 模型的设计原则 建立合理、正确的数学和力学模型是数值分析的首要任务，模型设计得正确与否，是 自匕否获丽 [ 值分析准确结果的前提和基础。模型的设计， 蟛贼骺下列系贝0 1 影响综放采场顶煤岩运移因素较多，包括地质因素和生产技术因素。构建F L A C 模 型时，必须分清各影响因素的主次，并进行合理的抽象、概化。所以，在模型设计时，必 须突出影响项煤岩破坏、运移的主要因素，并尽可能多地考虑其它因素； 2 任何地下工程都具有时空特性，所以模型的设计必须能够体现伴随工作面而引起的 动压对综萄嘎磅狐瞪群渤的影响这动态过程； 3 模型乃是实体的简化而不是失真的摹体。设计的模型尽量要与实际相符，并尽可能 地体现岩层的物理力学特眭，如由于岩层节理、裂隙、断层而导致的岩体的不均匀性、不 连续陛等； 4 地下工程、岩土工程问题实质上是半无限体问题，由于受讨夤斯内存的限韦i I ，模拟 时只能考虑一定的影响范围。因此，建立模型时必须考虑边界条件； 基于应力壳的综放面顶煤岩运移规律研究 5 模型的设计，应尽可能便于；喇t } 计算。在考虑溪僦围时，既要能垒匝啦肉弛；渤r 面 项煤岩的受力变形特性，又要顾及计算帆的内存租运行速度。 22 ．2 计算几何模型自q 确定 1 科赁蒯范围的确定 模型沿走向长5 0 0 m ，沿倾斜宽6 0 0 m ，模型高度为2 1 4 ．1 7 m 。模型中包括1 3 屯煤层与 项底板岩层 图2 ．3 ，取平均煤层倾角1 3 。，煤层厚度5 ．4 I I I ，工作面f 嘣斟长度2 3 1 ．8 m 。 2 越断约束条件的确定 模型顷4 面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部施加垂直载荷模拟E 覆岩 层的重量。 2 ．2 ．3 网格的离散化 网格的离散，原则E 是划分得越细越好，但由于模型解算范围较大和计算机容量的限 制，不可能将网格划分得很细。考虑到模型单元总数的限肯岈口所研究问题区域集中性，划 分有9 5 3 3 2 个三维单元，共1 1 2 7 3 9 个结点。计算模型网格图和沿走向、倾向的剖匿图分别 如图2 ．3 、图2 ．4 、图2 ．5 所示。 图2 3 三维计算网格圈 6 基于应力壳的综放孟顶煤岩运移规律研究 图2 5 三维模到颚向剖面9 目格图 2 ．3 岩体力学参数的选取 根据瑚场取样和岩石力学试验结果，当载荷达到强度极限后，岩体产生破坏，在峰后 塑性流动过程中，岩体残余强度随着变形发展逐步减小。因此，计算中采用莫尔一库仑 №h r - C o u l o m b 屈服准贝眵0 断岩体的破坏 2 ．7 式 ；采用应变软化模型以反映煤体破坏 后随变形发展残余强度逐步降低的性质。 ，l s i n 伊．1 1 s i n q ， 止 盯1 一c r 3 丁面一z c V 了面r 77 、 式中，盯l 、a 3 分别是最大和最小主应力，C ，印分别是粘结力和