综放工作面端面顶煤冒漏数值模拟研究与控制.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 Jul. 2020 采矿与井巷工程 综放工作面端面顶煤冒漏数值模拟研究与控制 李通达1,鲁杰1,蒋再胜2,罗华峰I徐青云I白文勇1 （1.大同大学 煤炭工程学院，山西大同037006； 2.中国矿业大学（;|匕京）资源与安全工程学院，匕京100083） 摘 要通过现场调研及数值模拟的方法，对马营煤矿9102综放工作面端面煤体应力场和位 移场分布规律进行分析研究，提出综放端面煤体裂隙发展的4个分区，得出在无支护情况下 存在4点问题。运用UDEC数值模拟软件，对影响端面顶煤和煤壁失稳破坏的控制参数进行 数值模拟，分析得出端面距、支架支撑力大小及直接顶岩层厚度是控制端面顶煤稳定的重要 参数。针对每个参数得出相应合理的控制范围数值，为相似情况下的综放面端面冒漏顶控制 提供理论依据，对煤矿综放开采安全高效具有指导意义。 关键词综放工作面；端面煤体；数值模拟；煤体裂隙；端面距 中图分类号TD823 文献标识码B 文章编号2095-5979（ 2020）07-0001-06 Numerical simulation study and control of top coal leakage in the ending face of fully mechanized caving face Li to ngda1, Lu Jie1, Jiang Zaisheng2, Luo Huafeng1, Xu Qingyun1, Bai Wenyo ng1 1. Coal Engineering College , Shanxi Dat ong Universit y, Daiong 037006, China; 2. College of Resources end face co al bo dy; numerical simulatio n; co al bo dy cracks; end face distance 0引 言 随着采煤技术的发展，综放顶煤技术已经成为 厚煤层开采经济有效的方法之一叫但其生产系统 岩层控制仍存在大量急需解决的问题。综放端面煤 体易碎裂，自稳能力弱，承载性能差，煤壁片冒问 题日益突出，综放端面煤体冒漏已成为我国，甚至 世界采矿界普遍存在的技术难题。 由于目前国内外学者对于综放面端面煤体稳定 性机理没有相对成熟的研究，利用理论分析法进行 端面煤体研究时缺少完善的理论指导，无法进行准 确的定量分析；采用相似材料模拟试验进行研究 时，虽然可以相对准确的模拟现场地质条件及采动 过程中的端面煤体变化情况，但因受相似模拟设 备、相似模拟材料、试验操作人员等多方面主客观 因素的影响，并且由于经费不足和周期太长的原 因，使不同技术方案在相同地质条件下，或相同技 术方案在不同地质条件下，都难以得到详细对比和 责任编辑任伟 D0I ki.cci.2020.07.001 作者简介李通达（1989）,男，河北安国人。 引用格式李通达，鲁杰，蒋再胜，等综放工作面端面顶煤冒漏数值模拟研究与控制[J].煤炭与化工，2020, 43（7） 1-6. 1 2020年第7期煤炭与化工第43卷 充分模拟；运用计算机数值模拟的方法具有省时 性、费用低、操作便捷、计算结果相对准确等优 点，是目前采矿领域广泛采用的研究方法和研究手 段之一，它可以模拟实际现场的复杂多变地质条 件，也可以模拟人为设定的各种不同技术方案，从 而对不同条件组合形成方案进行深入细致的计算及 剖析叫 本文通过采用现场调研及数值模拟的方法，对 马营煤矿9102综放工作面端面煤体应力场和位移 场分布规律进行分析研究，提出综放端面煤体裂隙 发展的4个分区，得出在无支护情况下存在的4点 问题。运用UDEC数值模拟软件，对影响端面顶煤 和煤壁失稳破坏的控制参数进行数值模拟，为相似 情况下的综放面端面冒漏顶控制提供理论依据，对 煤矿综放开采安全高效具有指导意义。 1概 况 马营煤业有限公司位于山西省山阴县。井田位 于山西北部洪涛山北翼的丘陵地带，地形较为复杂 多变，地势总体呈现北高南低，多呈北西向展布, 表1岩层参数 Table 1 P arameters o f ro ck strata 岩性 密度 / kg-m-3 摩擦角/ （。） 粘结力/MP a抗拉强度/MP a体积模量/GP a剪切模量/GP a 砂质泥岩 19863510.594.801当大于临 界工作阻力时，随着工作阻力值增加，顶板下沉量 变化不明显，当工作阻力值增加到7 600 kN时， 顶板下沉量仍然有6 cm。因此，当支架工作阻力 较低时，冒高急剧增大，随着支架工作阻力逐渐增 高，冒高从1.88减小到0.21 m,当接近或超过临 界工作阻力7 200 kN时，顶板下沉量基本不变。 3.3直接顶厚度对端面顶煤稳定性的影响规律 在其他参数正常的情况下，直接顶的厚度是 影响端面顶板稳定性的因素。分别取直接顶厚度为 1.5、3和4.5 m时进行模拟，如图5所示。煤岩体 厚度对端面围岩破坏的影响见表2。 顶煤冒落高度随宜接顶厚度的增加而降低。当 直接顶厚度小于1.5 m时，顶煤冒落高度大于0.75 m;当直接顶厚度大于等于4.5 m时，顶煤冒落高 度低于0.18 mo这是由于直接顶起到“缓冲减压” 作用导致的，直接顶愈厚，愈能减弱回采过程中老 顶滑落回转产生的矿山压力，将老顶下沉运动过程 中产生的能量转化吸收为自身的弹性变形能，较大 程度上减轻了综放端面顶煤的负担，变相增强了端 面顶煤的稳定性。 4 李通达等综放工作面端面顶煤冒漏数值模拟研究与控制 2020年第7期 c工作阻力为6 700kN b工作阻力为6200kN 0.800 1.600 1.400 1.200 1.000 0.600 0.400 0.200 4.000 4200 4.400 4.600 4.800 5.000 5200 5.400 d工作阻力为7 200kN mt 1.600 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0400 0.200 图4不同支架工作阻力对端面顶煤稳定性的影响 Fig. 4 Wo rking resistance o f different suppo rts influence o n to p co al stability o f end face a直接顶厚度为1.5 mc直接顶厚度为4.5 m 4.000 4.200 4.400 4.600 4.800 5.000 5200 5.400 b直接顶厚度为3 m 1.600 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 图5不同直接顶厚度对端面顶煤稳定性的影响 Fig. 5 Different direct to p thickness influence o n the stability o f end to p co al 表2煤岩体厚度对端面围岩破坏的影响 Table 2 Influence o f the thickness o f co al and ro ck mass o n the failure o f face surro unding ro ck 煤岩体厚度/m片深/m冒高/m 1.50.540.75 30.210.24 4.50.100.18 5 2020年第7期煤炭与化工第43卷 4结论 （1 ）针对马营煤矿9102综放面端面煤体展开 研究，通过采用现场调研及数值模拟的方法，对 9102综放工作面端面煤体应力场和位移场分布规 律进行了分析研究，提出综放端面煤体裂隙发展的 4个分区，得出马营矿9102综放工作面在无支护 情况下存在的4点问题。 （2） 运用UDEC数值模拟软件，对影响端面 顶煤和煤壁失稳破坏的控制参数进行模拟，模拟控 制参数包括端面距、支架工作阻力大小、直接顶厚 度，为相似情况下的综放面端面冒漏顶控制提供一 定的指导和借鉴。 （3） 通过数值模拟得出综放工作面支架端面 距是影响端面煤岩体稳定性的重要因素之一，通过 模拟得出综放面支架端面距应该控制在0.75 m内， 但在现场生产过程中，支架的接顶距较难实测得 到，一般控制支架端面距时，应控制支架梁端距在 0.5 m范围内。 （4） 通过数值模拟得出综放工作面支架工作 阻力控制端面顶板稳定的主要手段之一。当支架工 作阻力较低时，冒高急剧增大，随着支架工作阻力 逐渐增高，冒高从1.88减小到0.21 m,当接近或 超过临界工作阻力7 200 kN时，顶板下沉量基本 不变。 （5） 通过数值模拟得出综放工作面直接顶厚 度是制约顶板稳定的重要因素之一。当直接顶厚度 小于1.5 m时，顶煤冒落高度大于0.75 m;当直接顶 厚度大于等于4.5 m时，顶煤冒落高度低于0.18 m。 参考文献 [1] 王家臣.厚煤层开采理论与技术[M], dt京冶金工业出版 社，2009. 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