薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验.pdf

第34卷第4期煤 炭 学 报Vol . 34 No. 4 2009年4月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYApr . 2009 文章编号 0253 - 9993 2009 04 - 0472 - 06 薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验 蒋金泉 1 ,曲天智 2 ,代 进 1 ,李 洪 1 ,田志超 1 1 1山东科技大学 资源与土木工程系,山东 泰安 271019; 21兖州煤业股份有限公司,山东 邹城 272100 摘 要对典型结核不同出露状态与滚筒截齿着力点不同部位等状态进行了结核剥落的数值试 验,分析了薄煤层硫化铁结核的剥落机理、形式及条件.结核在截齿作用下其周围煤体形成贯通 式破坏区,声发射沿结核周围煤体密集分布,呈现平移剥落、旋转剥落、松动剥落及压入剥落等 4种整体剥落形式.典型结核200 mm150 mm整体剥落荷载为618～1318 kN.结核在煤壁 的深度越小,剥落荷载越小;截齿着力点位于结核中部的剥落荷载大于端部.当结核厚度较小 ≤45 mm左右时呈现截断剥落形式,在结核中线及周围形成破裂区,声发射沿结核中线及结 核周围分布. 关键词薄煤层;结核;采煤机剥落;整体剥落;截断剥落 中图分类号TD8231251 文献标识码 A 收稿日期 2008-05-30 责任编辑柴海涛 作者简介蒋金泉1961 , 男,江苏如东人,教授,博士生导师.Tel 0538 - 6226266,E - mailjjqsd1631com Numerical test of spalling of iron sulfide concretions in thin seam J IANG Jin2quan 1 , QU Tian2zhi 2 , DA IJin 1 , L IHong 1 , TIAN Zhi2chao 1 11Department of Resource and Civil Engineering, Shandong University of Science and Technology,Tai’an 271019,China;21Yanzhou CoalM ining Co . Ltd. , Zoucheng 272100, China Abstract The numerical tests focused on typical concretions of different exposed status and drum pick focal points in different parts of concretionswere carried on about the spalling of concretions .The spalling mechanis m, s and conditionswere analyzed.Transfixion damaged areas were shaped when the concretions affected by pick. AE distributed along the coal around the concretions intensively, and there are translation spalling, rotating spalling, loosing spalling and pressure spalling 4 overall spalling for ms .The load to overall spall of typical concretions 200 mm150 mm is 618～1318 kN. The required load to spall is less when the depth of concretions in coal wall is less .Pick focus in the central of concretions compared to near the end, the required load is s maller . When the thickness of concretions is s maller than 45 mm or less, the truncated of spallingwill appear, and there are fracture areas in the middle and surrounding area of concretions . AE distributes along the middle lane and around the concretions . Key words thin seam; concretions; spall by shearer; overall spall; truncated for m of spalling 我国薄煤层分布广泛,全国95个重点煤炭生产企业中有85个集团公司445处矿井赋存薄煤层,薄煤 层可采储量占总可采储量的19.近年来,我国正在研究及推广薄煤层机械化开采技术 [1 ]. 兖州矿区薄 煤层可采储量占总可采储量的41 ,普遍含有硫化铁结核.薄煤层工作面空间小,硫化铁结核硬度高, 机械化开采难度大,几十年来只能采用炮采落煤工艺,近年来发展到炮采铲装、液压支架支护工艺 [2 - 6 ]. 由于硫化铁结核的影响,国内外未能实现含硫化铁结核薄煤层截煤机械化.其关键是采煤机剥落结核,研 第4期蒋金泉等薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验 究薄煤层硫化铁结核剥落机理、形式及条件,为采煤机剥落结核、截割可行性、设备研制、截煤工艺等提 供依据. 1 硫化铁结核的分布特征 兖州矿区16和17层煤厚度分别为019～114 m, 018～112 m,倾角5～13,赋存稳定,裂隙发育. 在杨村煤矿17层煤2706下工作面对硫化铁结核的分布特征进行了统计.工作面顶板为十一灰岩或粉砂 岩,底板为铝质泥岩或粉砂岩,倾斜长度120 m,循环进尺112 m.煤壁的结核暴露数量16186个/循环, 暴露密度0114个/m;生产循环的结核数量126167个/循环,分布密度为0188个/m 2 ;在煤壁暴露的结 核、夹矸长度为50～600 mm,平均247189 mm;厚度为20～150 mm,平均53188 mm,厚度 ≥50 mm的占 44125 ,厚度 ≥100 mm的占8185. 16和17层煤的坚固性系数f分别为113, 114;结核坚固性系数f 分别为819, 814,抗拉强度分别为10170, 8131MPa,凝聚力分别为13160, 11152MPa,内摩擦角分别为 49, 48,如图1所示. 图1 硫化铁结核井下照片 Fig11 Photos of iron sulfide concretions 2 结核整体剥落的数值试验模型 采用岩石失稳过程分析程序RFPA进行薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验.RFPA可研究岩体从细观 损伤到宏观破坏的整个过程 [7 ] ,考虑细观非均质性模拟岩石变形、破坏的非线性,对破坏单元进行刚度 特性退化和刚度重建处理,模拟岩石变形、破裂的非连续性.将单元破坏释放的弹性能作为声发射能量, 由煤岩体破坏过程的声发射反映内部结构状态的变化. 考虑椭圆形结核200 mm150 mm处于截道不同位置、截齿着力点处于结核不同部位等典型状 态,建立薄煤层结核剥落的数值试验模型I～V,如图2所示.模型尺寸4 000 mm4 000 mm,网格划分 为200200,单元20 mm20 mm.模型煤岩层力学参数见表1,根据井下实测,煤壁明显破坏区宽度为 015 m,煤壁边缘的残余抗压强度为单向抗压强度的25.煤岩力学参数符合Weibull分布,采用修正的 Mor - Coulomb准则作为单元的相变临界点,相变准则控制参数压拉比1 /10,残余阀值系数011,最大拉 应变系数115,最大压应变系数200.模型两侧为水平位移约束,底边为垂直及水平方向的位移约束;根 图2 结核整体剥落的数值试验模型 Fig12 Numerical testmodels of concretions overall spalling Ⅰ 截面垂直煤壁,截深450 mm,结核处于煤壁边缘;Ⅱ 截面垂直煤壁,截深450 mm,结核处于截道中部; Ⅲ 截面垂直煤壁,截深450 mm,结核处于截道内侧;Ⅳ 截面平行煤壁,截深450, 600 mm, 结核出露1/2;Ⅴ 截面平行煤壁,截深450, 600 mm,结核出露1 /3 374 煤 炭 学 报 2009年第34卷 表1 模型岩层力学参数 Table 1 Rock mechan ics parameters of models 岩 性 弹性模 量/MPa 单向抗压 强度/MPa 泊松比 容重/ kN m - 3 十一灰岩 均质度44100100 平均值10 0005201212610 17煤 均质度22100100 平均值2 0001201281310 铝质泥岩 均质度55100100 平均值3 6003501242510 结核 均质度55100100 平均值15 0008401181417 据支承压力分布理论解析,模型上方截道外侧加 载3 MPa,截道内侧加载梯度3 MPa/m,计算自 重荷载. 3 结核整体剥落机理与形式的数值试验 311 结核处于煤壁边缘的剥落机理与形式 模型I的数值试验如图3所示,即结核处于 煤壁边缘,截齿着力点分别为 ①,②,③图 2.其中,结核剥落图上煤壁中的黑色单元为 破裂分离区,声发射分布图上白点为压剪破裂能 量,黑色点为拉伸破裂能量. 图3 模型I I1,I2,I3结核剥落及声发射累计能量 Fig13 Concretions spalling and AE total energy ofmodel I I1,I2,I3 如图3 a所示,当截齿作用于结核外侧1 /3位置,结核背面的煤体发生压剪破坏,结核内侧的煤 体发生拉破坏,在结核背面形成了近似三角形的破坏区.由于煤壁边缘为压应力、结核内侧为拉应力,而 煤壁边缘的残余强度低,结核周围煤体几乎同步破坏,因此结核呈现整体平移剥落的形式.如图3 b 所示,当截齿作用于结核中部位置,结核背面的煤体从煤壁边缘发生压剪破坏,破坏范围向煤壁内部扩 展,在结核背面出现了近似三角形的压剪破坏区.由于煤壁边缘的残余强度低,而截齿作用于结核中部位 置,因此结核呈现外旋转式剥落方式.如图3 c所示,当截齿作用于结核内侧1 /3位置,结核背面深 部煤体的破坏范围与程度大,结核呈现内旋转剥落方式. 312 结核处于截道中部的剥落机理与形式 模型II的数值试验如图4所示,结核处于截道中部,截齿着力点分别为 ①,② 和 ③图2.如图4 a所示,当截齿作用于结核外侧1 /3位置,结核外侧煤体发生压剪及拉破裂,破裂范围向结核背面及 周围煤体扩展,声发射在结核周围煤体中零散分布,结核周围出现了破坏区,煤壁浅部的破裂更突出,结 核呈现整体外旋转剥落方式.如图4 b所示,当截齿作用于结核中部位置,结核背面的煤体发生压剪 破坏,破坏范围向结核两边扩展,声发射集中在结核周围,结核周围煤体破坏导致结核平移剥落.如图4 c所示,当截齿作用于结核内侧1 /3位置,结核背面及煤壁浅部的煤体先发生破裂,破坏范围沿着结 核快速扩展,结核出现部分旋转,声发射主要集中在结核周围,在结核周围煤体形成贯通式破坏,呈现内 旋转滑移剥落方式. 313 结核处于截道内侧的剥落机理与形式 模型 Ⅲ 的数值试验如图5所示,即结核处于截道内侧截深600 mm ,截齿着力点分别为 ①,② 和 ③ 图2.如图5 a所示,当截齿作用于结核外侧1/3位置,结核外侧深部煤体、结核内侧煤体及新煤 壁先发生压剪及拉伸破裂,破裂范围向结核背面的煤体扩展,声发射能量在结核周围煤体中密集分布,结 核周围出现了破坏区,结核被挤压陷入煤体,煤体破裂变形扩张并形成贯通式破坏,呈现整体压入脱离的 剥落方式.如图5 b所示,当截齿作用于结核中部位置,结核背面的煤体先发生压剪破坏,破坏范围 474 第4期蒋金泉等薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验 向结核两边扩展,声发射及煤体破坏范围集中在结核周围,周围的煤体难以形成贯通式分离,结核被挤压 陷入煤体难以脱离.如图5 c所示,当截齿作用于结核内侧1 /3位置,结核背面及外侧的煤体先发生 破裂,破坏范围向结核内侧扩展,周围煤体难以形成贯通式分离,结核被挤压陷入煤体难以脱离. 314 结核出露1 /2的剥落机理与形式 模型 Ⅳ 滚筒切割煤体时结核出露1 /2,结核分别处于煤壁边缘、截道中部、截道内侧的数值试验如图 6所示.结核在滚筒截齿作用下,结核背面的煤体受到挤压作用发生破裂,破裂区向结核内侧煤体发展, 再向覆盖结核的煤体扩展,声发射在结核周围煤体中密集分布,周围煤体形成贯通式破坏,结核可能出现 松动旋转趋势,使得结核松动剥落. 图6 模型 ⅣⅣ1,Ⅳ2,Ⅳ3结核剥落及声发射累计能量 Fig16 Concretions spalling and AE total energy ofmodelⅣⅣ1,Ⅳ2,Ⅳ3 315 结核出露1 /3的剥落机理与形式 模型V滚筒切割煤体时结核出露1 /3,结核分别处于煤壁边缘、截道中部、截道内侧的数值试验如图 7所示.结核在滚筒截齿作用下,结核背面截齿着力点附近的煤体、覆盖结核的煤体受到挤压作用先发生 破裂,破裂区向结核内侧煤体扩展,声发射也向结核周围煤体转移,在结核周围煤体中密集分布,形成结 核周围煤体的贯通式破坏,结核出现松动剥落. 4 结核整体剥落条件的数值试验 典型结核200 mm150 mm整体剥落荷载见表2.由表2可见,结核在煤壁中的位置与出暴状态 不同,截齿着力点部位不同,剥落结核形式也不同,剥落荷载为618～1318 kN,平均为111267 kN.结核 574 煤 炭 学 报 2009年第34卷 图7 模型 ⅤⅤ1,Ⅴ2,Ⅴ3结核剥落及声发射累计能量 Fig17 Concretions spalling and AE total energy ofmodelⅤⅤ1,Ⅴ2,Ⅴ3 在煤壁的深度越小,周围煤体的残余强度就越低,结核剥落荷载就越小;截齿着力点在结核端部附近,结 核背面的煤体应力集中程度高,结核剥落荷载较小;截齿着力点在结核中部附近,结核背面煤体的应力集 中程度低,有挤压陷入倾向,结核剥落荷载较大.当结核处于煤壁边缘或截道中部、结核全部出露时,结 核附近煤体的强度较低,呈现旋转剥落及平移剥落形式,结核剥落比较容易;当结核处于截道内侧截 深600 mm ,即使结核全部出露,因结核附近煤体强度较高,呈现压入剥落方式或挤压陷入,结核剥落难 度高;当结核部分出露时,呈现松动剥落方式,可以实现结核剥落. 表2 结核200 mm150 mm剥落形式与条件 Table 2 Concretions spalli ng 200 mm150 mm s and conditions 项 目Ⅰ1Ⅰ2Ⅰ3Ⅱ1Ⅱ2Ⅱ3Ⅲ1Ⅲ2Ⅲ3Ⅳ1Ⅳ2Ⅳ3Ⅴ1Ⅴ2Ⅴ3 剥落形式 平移 剥落 旋转 剥落 旋转 剥落 旋转 剥落 平移 剥落 旋转 剥落 压入 剥落 挤压 陷入 挤压 陷入 松动 剥落 松动 剥落 松动 剥落 松动 剥落 松动 剥落 松动 剥落 荷载/kN618111291410161218121611161312101891611101318101211161318 5 结核截断剥落的数值试验 当结核厚度较小时可能出现截断剥落形式,为此,对厚度较小的结核剥落进行了数值试验研究,数值 试验模型的结核状态见表 3 其他条件同前 . 表3 结核截断剥落过程的数值试验模型 Table 3 The numerical testmodels of truncated of concretions spalling 模型截面方向结核大小 mm mm 截深/mm结核位置截齿着力点剥落形式剥落荷载/kN Ⅵ垂直煤壁20045位于截道内侧截断1018 Ⅶ垂直煤壁20080450结核中部挤压1116 Ⅷ平行煤壁30040位于截道内侧,出露1/2截断910 模型 Ⅵ 为截深450 mm、结核厚度45 mm,处于截道内侧,截齿着力点位于结核中部,其数值试验结 果如图8 a所示.由于结核厚度较小,在截齿荷载作用下,结核中部发生拉伸破裂,结核周围的煤体发 生拉剪破裂,在结核中线及周围形成半 “ θ”形破裂区,声发射沿着结核中线及结核周围分布.可见,当 结核厚度为45 mm时,结核会呈现截断剥落,截断剥落荷载为1018 kN.模型 Ⅶ 的结核厚度为80 mm,结 核仍然呈现挤压剥落形式,挤压剥落荷载为1116 kN. 模型 Ⅷ 为截深450 mm、结核300 mm40 mm、结核出露1 /2,其数值试验结果如图8 b所示.在 结核中部发生拉伸破裂,结核周围其他部位发生拉剪破裂,在结核中线及周围形成横 “ θ”形破裂区,声 发射沿结核中线及结核周围分布.可见,当结核厚度40 mm、出露1 /2时发生截断剥落,截断剥落荷载 910 kN. 674 第4期蒋金泉等薄煤层硫化铁结核剥落的数值试验 图8 模型 Ⅵ,Ⅷ 硬结核剥落及声发射累计能量 Fig18 Rigid concretions spalling and AE total energy ofmodelsⅥ,Ⅷ 6 结 论 1典型结核周围煤体发生压剪或拉伸破裂而形成贯通式破坏区,结核呈现整体剥落. 2结核位置、出暴状态、截齿着力点部位不同,结核周围煤体强度与受力状态就有差异,将呈现 平移、旋转、松动及压入等4种不同剥落形式. 3典型结核在不同状态下的剥落荷载为618～1318 kN,平均为111267 kN.结核在煤壁的深度越 小,结核剥落荷载就越小;截齿着力点在结核端部附近与中部附近相比,结核剥落荷载较小. 4当结核厚度较小≤45 mm左右时,在结核中线及周围形成半 “ θ”形破裂区,会出现截断 剥落形式,剥落荷载相对较低. 参考文献 [1] 乔红兵,吴 淼,胡登高.薄煤层综合机械化技术现状及发展[J ].煤炭科学技术, 2006, 34 2 1 - 5. 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