综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析.pdf

第 2 L 卷第 3制 2 0 0 2午3盯 岩 力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g 2 l 3 、 3 0 9 3 1 3 Ma r c h ， 2 O 0 2 综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析 陈忠辉谢和平王家 臣 巾国矿业火学 北京校区】 石力学与丹形研宄所北京 1 0 0 0 8 3 摘要针对大 同矿务局忻州窑矿 8 9 1 1 面综放开采煤岩变形破坏的全过程，利用岩石力学数值分析方 法对放顶煤三维 采场的顶煤、顶板活动进行了系统的研究，得到 j - 三维模型的威力、变形及单元破坏数值分析结果 研究表明大 同矿务局煤层强度较高，存支承压力作用下难于破碎，需进j 亍 弱他处理后才能有效放出。综鬻放顶煤过程中，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 ／ 1 “1 处 ，并得到现场实测结果的 验 证 关键 词综放开采．数值计算 ，顶煤变 形破裂 分类号T D 8 2 3 4 9 ，T D 3 1 3 1 文献标识码A 文章编 号 1 0 0 0 ． 6 9 1 5 2 0 0 2 0 3 ． 0 3 0 9 0 5 1 前言 顶煤与顶板的变形和破坏过程是综放开采理论 研究的基本问题之一 顶煤从连续介质受载破裂到 逐渐形成松散体是一个非常复杂的非平衡 } 线性力 学过程 ，利用 目前一般的力学解析方法很难求解其 复杂的全过程。即使如此 ，由于生产实践的需要， 研究人员利用损伤力学对顶煤在支承压力作用下力 学特性进行了分区研究，得到了弹性区、塑性区、 破碎区及放落区 4个顶煤变形破裂发展阶段I 】 。J ； 通过现场观测和唯象学理论，建立了顶煤水平位移 和垂直位移运动轨迹方程。但这些研究大多只停留 在定性和半定量分析的基础上 ，没有建立项煤变形 参数和力学参数的联系，设有刚适当的力学和数学 理论来描述综放开采过稗中顶煤变形和破裂特征及 规律，因而限制和阻碍了综放开采技术的应J } j 平 发 展。闻此，对顶煤变形破裂过程进行系统的理论手 数值分析研究显得尤为必要。 顶煤在变形破裂过程中既不是一种完全的连续 介质，也不是纯粹的松敞介质，是一种介丁连续介 质和松散介质之间的拟近续介质 闻此，单纯利川 力学解析方法求解顶煤变形破裂过程难度较人 而数值计算作为力学分析工具 已被r泛应用 丁理 论分析和工程实际-4 。 I 。 本文利用 F L A C 有限差分 软件【 6 - 8 1 对大同矿务局忻州窑矿 8 9 1 1 面综放开采过 稗中，采场的三维应力分布和顶煤的破裂规律进行 了岩石力学数值分析，试图得到顶煤从开切眼开始 直至末采整个过程在采动影响下沿走向和倾向方向 上顶煤的破坏区域和破坏烈度分布，顶煤与顶板相 互作用形成的支承压力的分布范罔和形态，以期为 提高顶煤的回收率提供必要的理论依据 。 2 综放开采的计算模型 影响综放开采顶煤 冒放性主要有 咀下 3个因 素煤层厚度 支承压力峰值大小煤体硬度。一 般情况下，如． 累煤体较硬，顶煤在支承压力作用 F 就难 丁有效压裂，从而影响顶煤的有效顺利放出。 但是 ，通过预裂爆破或煤层预注水软化顶煤以后能 否采用高产高效的综放开采在学术界存在一定的争 论 争论的焦点集中在预裂爆破或煤层预注水能否 在实体煤中产生足够的裂隙，从而具有较好的顶煤 冒放性。为此，中国矿业大学北京校区和大同矿务 局对坚硬厚煤层综放开采进行联台攻关，对坚硬厚 煤层的综放开采进行了理论、实验 、数值模拟和现 场实践研究。 本文研究的对象是大同矿务局忻州窑矿 8 9 1 1 2 0 0 0年 4月 6日收到韧稿，2 0 0 0年 8月4口收到修改稿。 目家自然科学些盘资助I L J 1 9 9 0 2 0 l 9 和巫点资助』 直日 5 9 7 3 4 0 9 0 。 作者 陈盘辉 筒介男．3 3 ．】 9 9 0午下东北太学采矿系聚矿 矬博士学世，现 中嗣矿业大学 北京校 副教授 一主要 L 事岩石力学 与放 顶 开来方面的研究和救学工作。 维普资讯 3 1 0 岩石力学 与工程学报 2 0 0 2 年 综采面的开采过程。 根据忻州窑矿提供的地质资料， 8 9 1 1 综采面基本条件为 煤层倾角近水平方向，煤 层厚度 7 ． 5 m左右，煤层硬度 ， 3 ． 7 ，属坚硬煤层。 直接顶为灰色粉砂岩及砂质页岩 ，层理发育，含植 物化石，局部夹有煤线，厚约 2ml老顶为 3 O m左 右 的中粗砂岩，较坚硬。工作面 长度为 1 5 O m，区 段长度为6 5 0 m 。根据地质钻探资料和研究范 ， 将研究模型分为 5种煤岩类型，其中主要煤岩力学 参数如表 1 所示。 此外，模拟计算还涉及 一些附加材料，如采空 区垮落矸石及支护结构等 。 针对上述材料力学行 为，对不同类型的材料采I} } j 不同的力学本构模型。 岩 是一种脆性材料， 当外载达到岩石强度后， 材料发生断裂破坏，从而产生弱化现象。本文对煤 岩材料采用具有弱化性能的虎克． 布朗 H o e k - B r o w n 强度准则 mc r 一 1 式中 。 为岩石峰值强度的晶大主席力； 为最 小主应力； 为煤岩单轴抗压强度 ； ， S为材料 常数， 它们取决于煤岩性质和原始破裂状况。 此外， 当拉麻力超过材料的抗拉强度时，材料单元将发生 拉 破坏 。 为了模拟综放开采全过程，将采空区冒落的矸 石考虑为一种松散介质 。宏观上它对顶板支承的力 学作用可近似地用弹性支承体表示。然而，随着工 作面的推进 ，矸石在覆岩作用下逐步被压实，材料 的密度 口、 弹性模量 和泊松比 随时间的推移而 增加。已有研究表明，p， 和 的变化规律可由 以下经验公式表示 p1 ． 6 8 o o 1 一 e g／ c m 2 E1 5 1 7 5 1 一e MP a 3 0 ． 0 5 0 2 0一e 4 式中时间 t 的单位为 a ， 上儿式反映出p，E和 随时间呈指数变化关系，最终达到恒值。 1 柞面支架采埘弹性锚杆单元模拟 ， 刚度为 3 O MN／ m。为了消除边界效应，二维计算模型的长、 宽、高设置为 3 0 0 ，3 0 0平 f J 1 5 0 m。由于计算模型主 要考察项煤、顶板的变形和破坏情况及计算模型的 单元所 限，对计算模型单元采用不等分划分 见图 l 】 。计算模型共划分有 6 0 5 0 0个立方体单元，模型 侧面限制水平移动，模型的底面限制垂直移动，模 型的上部施加上覆岩层的自重庸力。 图 1 计算模型单元嗣络划分示意 图 F i g ． I El e me n t a l me s h o f n u me r i c a l mo d e l 据现场观测和实验验证，综采过程中周期来压 并不明显，其主要原因在于项煤作为塑性垫层吸收 了大部分老顶传来的动载能和静裁能，因此，本模 型只对顶煤破裂特性、范围及应力应变分布进行分 析，略去周期采压对顶煤和直接顶破裂的影响 随 着 作面的不断向前推进， 直接顶和顶煤逐渐垮落， 垮落单元的强度符合虎克一 布 Ho e k - B r o wn 强度 准州，即单元破裂后承载能力降低许多 见图 2 。 图 2 具有软化特性 的煤岩应 力- 应变 『 H j 线 F i g2 T h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e o f r o c k wi t h s o i e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s 模型计算从形成原始应力场开始 ，开切眼、顺 槽时记录下应力达到平衡状态时的单元破坏及应 维普资讯 第 2 1 卷第 3期 陈忠辉等综放开采顶煤三维变形、破埘 、 的数值分析 3 0 0m 图 3 沿开采方 向剖面计算模型 F i g ． 3 Nu me r i c a l mo d e l a l o n g mi n i n g d i r e c t i o n a 顶堞单元塑性破坏情搋 b 】垂直剐 应力丹布罔 c 开切瞻时单元节点位移圈 4 开切 时模型计算结果 F i g 4 Nu me r i c a l r e s u l t s o f t h e mo d e ] i n t h e s e t - u p r o o m 力、变形情况，以后工作面每推进 1 2 m记录一次， 圈 3 为沿开采方 向剖面计算模型示意图 中 lv记 录 应力、变形时的推进距离。 3 计算过程及结果分析 计算从形成原始麻力场开始，由于忻州窑矿所 在的矿区水平应力较大，单纯靠 自重应力促使介质 膨胀而产生的水平应力达不到水平应力与垂直应力 之比为 2 ，因此，在模型的每个单元上施加一个 白 上而下有一定梯度的水平麻力，以符台现场实际应 力水平要求。 计算时，首先在模型中形成切眼和顺槽，即住 相应空间中把实单元变为空单元 单支柱支架川弹 性 的锚杆单元代表。图4为开切眼和顺槽时各个剖 面的应力位移场以及单元的破坏情况，计算结果表 明，切眼上方一部分顶煤已遭破坏，但破坏范围不 人，只有一层单元破坏。然后，J 作面每推进 1 2 m 记录一次计算结果。由丁工作面的不断推进，采空 区和垮落区始终处于运动 I 变化之中，致使计算过 程中需要不断变换垮落区材料单元的力学参数和垮 落区域。采空区垮落的矸石用一种弹模和强度较小 的弹性材料单元替代。图5为] 作面正常推进时各 个剖面的应 力、位移和单元破坏情况 图 从主应力的等值 图分析可知顶煤中支承压力 分布具有明显的分区特征，即支承压力的峰值不是 位于煤壁上，而是在煤壁前方 5 ～7 m处 图 5 a ， 也就是在顶煤始动点附近。这是由于在煤壁附近的 顶煤受到峰值支承压力作用后，内部裂隙扩展、贯 通 ，承受不了高应力所至。在顶煤始动点附近 ，由 丁顶煤裂隙尚未扩展，因此具有较高的强度和承载 能力，应力也明显集 中，达到支承压力的峰值。随 着距煤壁距离的增加，应力逐渐减小至原岩应力。 当然，顶煤中支承压力的峰值位置随着采深、煤岩 性质的变化而变化。从图中还可看出支承压力作用 范 同较大 维普资讯 维普资讯 第 2 1 卷第 3期 陈忠辉等综放开采顶煤三维变形、破坏 的数值分折 a 】顶煤单元破坏情况 f b 】单元 点位穆矢量图 c 垂直剖面应力等值分布图 图 6 顶煤爆破 弱化 后开采时的计算 结果 F i g 6 Nu me r i c a l r e s u l t s o f t h e mo d e t d u r i n g mi n i n g v , i t h b L a s t we a k e n i n g o f t o p c o a l 决的情 形下进行岩石 力学数值分析是一条可行之 路 针对_人同矿务局忻州窑矿 8 9 1 1 工作面实际开采 过程进行数值分析得到如下结论 1 1 F L AC 有限差分程序比较适台综放开采的 开挖和塌落采矿过程的应用，在采矿工程计算领域 值得推广 。 f 2 1大同忻州窑矿的煤体较硬．在没有实施顶 煤软化措施 的条件下．顶煤的破坏区域较小，顶煤 在支承压力作用下破碎不充分，因而项煤回收率较 低。如果采取步距式预裂爆破弱化顶煤，则项煤能 有效放 出。 3 1支承压力具有明显的分区特征 ，顶煤的始 动点就是支承压力的峰值位置。支承压力分布范围 较广 ，其峰值位置位于煤壁前方 5 ～7 m 处，在现 场矿压实测结果中，支承压力峰值位置位于煤壁前 方 6m 处 。 参 考 文 献 I 闫少宏．曼健 拙顶堞开采顶煤运移实测与损伤特性分析 岩 石力学与工程学报，I 9 9 6 ．【 5 2 】 5 5 ～t 6 2 2 宋振骐实用矿山压力控制【 M]北京 中国矿业大学出版杜 ， ] 9 8 8 3 康立军 缓倾斜特厚煤层综故工作面矿压显现特征研究【 J J蠼炭科 学技术，】 9 9 6 ，2 4 I 】 3 9 ～4 2 4 马庆云采动 支承压力丑上覆岩层运 动规律研究【 博士学位论 文】 【 D ] 徐州中国矿业大学，L 9 9 7 S周雏垣 岩石力学数值计算方法的现状与展望 岩石力学与工程 学报．L 9 9 3 ．】 2 】 4 2 ～4 7 6 谢和平．周宏伟，王金安等F L A C在攥矿开采沉陷预测中的应用 及对比分析_ J 】岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ．【 s 4 ．3 9 7 4 0 1 7 寇晓东．阁维垣．橱若琼F L A C - 3 D进行三峡船闸高边垃稳定分 析 】 岩石力学与工程学报 ．2 0 0 ] ．2 0 】 6 ～t o 8 刘埋懦． 刘元高， 周维垣等应用三维 F L A C方堆进行动力分析l J _ 岩石力学与工程学报。2 0 0 ] ．2 0 增 2 _I 5 】 8 ～】5 2 2 NUM ERI CAL S I M ULATI oN oN THREE DI M ENS I oNAL DE ATI oN AND FAI LURE oF ToP CoAL CAVI NG Ch e n Zh o c Ig h u i ，Xi e He p i n g ， W a n g J i a c h e n I n s t i t u t e ofR o c k Me c h a n i c sa n dF r a c C a t ，C h i n aU n i v e r s i tyo fMi n i n ga n dT e c h n o l o g y B e ij i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e wh o l e s u b - l e v e 1 c a v i n g p r o c e s s wi th d e f o r ma t ion a n d f a i l u r e o f c o a l -t h e a c t i v i t i e s o ft o p c o a l a n d the r o o f a r e ana l y z e d b y u s i n g F L AC s o f t wa r e ， an d t h e thl e e d i me n s i o n a l s t r e s s ， d e f o r ma t i o n an d f a i l u r e are g e t t e n c l e a r ． T h e r e s u l t s s h o w tha t t o D c o a l i s d i f fi c u l t t o b e fra g me n t e d u n d e r the s u p p o r t i n g p r e s s u re b e c a u s e o f t h e h i g h e r s t r e n g t h o f C O ai，an d mu s t b e we a k e n e d t o i n c r e ase r e cov e r y r a t e ． T h e re are z o n e d c h a r a c t e r i s t i c s f o r top c o a I f a i l u r e T h e t o p c o a l b e g i n s t o mo v e i n t h e s i t e o f t h e p e a k s u p p o r t i n g p r e s s u r e wi t h 5 ～ 7 m b e f o r e c o a l wa l 1 ． Ke y wo r d s s u b ． 1 e v e 1 c a v i n g mi n i n g ， n u me r i c a l s i mu l a t i o n ，d e f o r ma t i o n a n d f a i l u r e 维普资讯