综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究.pdf

第l 0 卷第 4 期 2 0 0 0 年 7 月 岩石力学与工程学报 C h i n e e ．e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d En g i u e e r i n g 1 9 4 7 2 ～ 4 7 5 Jul y ．2 0 90 综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究 曹胜根钱鸣 缪协兴刘长友 1 而 ㈣ ㈣’ - r y e s 2 ，t f z 、 ／ 摘要由于直接顶 含顶煤 厚度的成倍增加，综放采场顶板下沉量与支架工作阻力并不存在类双曲线关系 因此用 顶板最太下沉量判断直接顶 含顶煤 稳定性已失去意义 应用 U DE C程序分析了综放开采端面顶板稳定性与支架工 作阻力及端面距的关系，得到当端面距在一定范围之内时，端面顶板冒落情况与支架工作阻力及支护角度密切相 关， 支架工作阻力 P和端面顶板下沉量 A h呈类双曲线关系。 在此基础上提出综放支架工作阻力新的确定方法。 关 键 词 p - L 曲 线 ， 墼 堕 燕 越 兰 塑 三 往 里 立 ， 里 里 塑 堡 室 丝 { ‘ 缘 分类号TD 3 5 5 ， O 2 4 2 ． 1 文献标识码A 文章编号1 0 1 0 6 9 1 5 2 0 0 0 0 4 一 { 4 7 2 0 4 1 前言 随着综放开采技术 在我国的迅速发展 ， 煤层采 出厚度的增大 ，传统的确 定支架工作阻力的方法与 在综放面的实测结果相差较大 ，由此展开 了对综 放 开 采 的“ 支架一 围岩 关系 的再研 究。在放 顶煤工 作 面 ， 直接顶中以破碎或几近破碎的顶煤为主， 此 时， 视直接顶 含顶煤 为似刚体是不合适的。在综放面， 由于直接顶的变形致 使老顶“ 砌体梁” 对支架的 回转 变形载荷被破碎了的直接顶所吸收， 故综放开采 中 顶板下沉量 △ z 的大小与支架工作阻力 P并不存在类 双曲线关系，支护 阻力的改变对顶板下沉量的影 响 很小。因此对 于放顶煤开采用顶板最大下沉量来判 断直接顶 含顶煤 的稳定性 已失去意义，此时支 架 工作阻力的确定应以什么作为标准 统计分析表明 ， 在采用液压支架以后 ， 工作面顶 板事故主要集 中在煤壁到支架顶粱前 端的无支护空 间内。在综放开采工作面 ， 控制端面顶板的冒落与使 顶煤顺利放落是一对矛盾。端面顶 板的稳定性是顶 板控制 的重点，支架工作阻力的确 定应该和端面顶 板稳定性紧密联系起来。本文借助新的数值分析 方 法 uD E C程序 对此进行了一些初步探讨 2 数值计算模型 为 了求解 支架与端 面顶板稳定性的关系 ， 根据 离散元计算方法 的发展，利用 UD E C程 序是完全可 以得到解决的。 采用 UD E C程序模拟 了放顶煤采场端面顶板 冒 落和支架工作阻力的关系。模拟煤层采高 2 ． 5 i l l_ ， 放 煤高度 8m 将顶煤划分为 0 ． 5 1 m 的块体 ，其 直接顶块体大小为 1 1 ． 5 m 和 2 2 m ， 模拟老顶 断裂步距 1 0 m 模型尺度为 1 0 0m2 511 1 ， 边界载 荷按 3 0 0 11 1 采高模拟 ， 底边界 固定 ， 左右边界水甲方 向固定。 计算时分别考虑了P； 1 8 0 ， 2 2 0 ， 2 6 0 ， 3 0 0 ， 3 6 0 ，4 2 0 ，4 8 0 ，5 4 0 k N／ m 等几种支护阻 力和 6 0 。 ，7 0 。 ，8 0 。 等三 种支护 角度 以模拟不 同的水 支 护力。 端面距 s 的大小则重点考察 了s 一 0， 0 ． 5 ，1 ， L 5 ， 3 r l l 等几种情况。 数值计算过程如下 原 岩应 力 计 算 一 煤 层 开 挖 一 控 顶 区 支 护一 UD E C计算一工 作面推进 ， 撤 消原支护一 新控顶区 支护一放煤一uD EC计算一结果输出。 各岩层块体本身力学参数和接触面的力学参数 如表 l ，2 。 3 计算结果分析 3 ． 1 端面顶板冒落状况 图l 是不同支架工作阻力时端面顶板 冒落情况。 1 9 9 9 年 4 月 1 日收到初稿 ． 1 9 9 9 年 6 月 1 6日收 到恪改稿。 *国家自然科学基金重点项目 5 9 7 3 4 0 9 0 资助。 作者 曹胜根 简舟 男， 3 2 岁， 1 9 8 9 年毕业于中国矿业太学采矿工程呆． ] 9 9 9 年在中国矿业大学获博士学位， 高级工程师， 现主要从事采场 山 压力的科研和科技期刊的编辑工作 维普资讯 第 1 9 卷第 4期 曹胜根等．综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究 4 7 3 表 1 岩块参数 Ta bl e l Pa r a m e t e r s o t b l o c ks 山一 体积横量 b 剪切模量 密度 摩擦舟 粘结力抗拉强度 ⋯ ／ 1 0 9 Pa ／ 1 0 g ／ N m一 ’ ， ／ c ／ 1 0 P a ／ 】 0 P a 表 2 接触面参数 Ta bI e 2 Pa r a me t e r s 0t i nt e r f a c e s ． h P 一 3 0 0 k N T 】 【 口 P一 5 4 0 k N／ m 图 1 s 1 m． 一 7 0 。 时端面顶板 冒落 状况 Fi g．1 Ca v i ng p he no me nawi t h s 1m a nd 一 7 0 。 由计算结果可以得到 1 在岩体地质条 件一定时端 面顶板的 冒落与 否．主要取决于端面距 和支护阻力及支护角度 的大 小。 2 当端面距 一 0 时 ， 不论 P为多大 ， 端面均 不发生冒落 实际情况难以达到 ，当 一 3 m时 ，在 表 l ， 2 所列顶煤强度条件下 ， 不论支护阻力为多大 ， 端面均发生 比较严重的 冒落 。 3 当 s一 0 ． 5～ 1 ． 5m时 ， 端面冒落情况和支 架工作阻力及支护 角度 即水平支护力密切相关。 由图 l知，当 P≤ 3 0 0 k N／ m 时．端面块体发 生冒 落 ， 当 P≥ 3 6 0 k N／ m 时端面块体却能保持住暂时 的平衡。 这说 明， 加大支架工作阻力 ， 在一定的端面 距范围内， 可 以控制 端面顶 板的 冒落。在相 同支护 阻力的条件下，水平支护 力的增加 即支护角度的减 小 也有利于端面顶板的稳 定。 4 端面顶板 冒落后 的平衡状态很象一个 冒落 拱 ， 不同支护阻力的控顶效果主要表现在对这 ， r茸 落拱拱高控制的差异 。以s一 1 m， 7 0 。 为例 ， r ≥ 3 6 0 k N／ m 时，端 面 没 有 发 生 冒落．P 3 0 0 k N／ m ．端面开始 冒落，冒落拱拱高 最小，而 P l 8 0 k N／ m ，冒落拱的拱高达到最大 ， 此 时顶板处在 难控 状 态 3 ． 2 支护阻力一 端面顶板下沉量曲线 在计算过程中对端面距 为 s 0 ． 5 ． 1 ，1 ． 5 r 1 等 三 种情况下的端 面顶 板的垂直位 移量 端 面距 l ／ 2 处 进行了监测 ， 得到不 同支护阻 力时端面顶极下沉 量的值 ， 将它们进行回归 ， 得到图 2所示曲线 由曲线可以看出 1 端面距 s 在一定的范 围之内时 ， 其数值的变 化只是改变端面顶板下沉量的绝对值，并不会改变 整个 P A 曲线的形状。 端面距越大 ， 端面顶板绝对 下沉 量也 越大 。 2 当支护角度 即水 平支 撑力变化 时 ， P 加 加 如 _三咖蚰 湖咖咖 “ 颧 维普资讯 岩石 力学与工程学撤 P N m 一 b 一 70 D c 一 g 0 。 图 2 支护阻力一 端面顶板下沉量关系 Fi g． 2 P一 △ c ur v c 8 曲线形状会发 生变化。当 7 0 。 或 8 0 。时， P一 △ 的类双 曲线关系非常明显。此时，当 P≥ 3 6 0 k N／ m 时， 端面顶板下沉量 △ 受支架工作阻力的影 响较小 ， 但当P≤ 3 0 0 k N／ m。 时， 减少支护阻力 ， △ 就有一较大幅度的上升 。当 一 6 o o 时 ，曲线上最大 曲率点 P o 变为 2 6 0 k N／ m。 ， 即当P≤ 2 0 0 k N／ m 时， △ z 急速上升，而当 P／ - 2 6 0 k N／ m。 ， 增大支架工作 阻力， △ 的减小幅度较小 3 ． 3 综放支架工作阻力的确定 从理论分析和综放面现场实测的结果来看， 直 接顶 含顶煤 厚度成倍增加 以后 ，由于直接顶为可 变形体， 可以全部或部分吸收老顶的给定变形压力， 因此支架的工 作载荷并投有 固采高的增加而增 加， 甚至小于相似地质条件 下采高较 小的综采面。因此 在设计综放 液压支架时 ，如何确定其工作阻 力就成 为广大科技工作者面临的一个问题 。 对于直接 顶厚度不很大 的一般综采面，可以利 用允许顶底板移近量作为判定支架工作阻力是否合 理的标准。顶底板允许移近 量系指能保证 在整个控 顶 区内顶板完整不破碎 ，不沿煤壁 产生裂 隙， 保证 移架安全的顶底板移近 量。由于此时顶底板移近量 与支架工作阻 力呈类双 曲线关系 ，因此评价支架工 作阻力是否合理 ，可求 出曲线最大 曲率点 ，以此作 为衡量其合理性的临界 点，即顶底板移近量的允许 值 。 对于综放 开采来说 ，由于直接顶 含顶煤 的 力 学特性发生了根本性变化 ，由数值计算得到的顶底 板移近量与支架工作阻力的关系如图 3所示。 PA N m一 图 3 综放开采支架工作阻力一 顶板下沉量关系曲线 Fi g．3 P一 △ Ul vC s i n t o p c oa l c a v i n g m i ni n g 图 3中的曲线， 并不存在最大曲率点 ， 无法根据 顶底板允许移近量确定综放支架 工作阻力 因此综 放开采工作面岩层控制的重 点应转 移到煤壁到支架 顶梁前端的无支护空间。 由上述分析 ，综放 工作面岩层控制的重点是端 面顶煤 的稳定性 ，其影 响因素有顶煤 自身的力学性 质，块度大小， 端 面距的大小以及 支架工作阻力等． 在顶煤块度大小及其力学性质 表 1 ，2 一定时 ． 顶 煤 的稳定性与支架工作阻力密切 相关 。由于综放 支 架 工作 阻力一 端面顶板下沉量存 在类双 曲关系 曲线 图 2 ，因此可以据此曲线确定综放支架临界 阻力 在设计 综放支架 时，由于在综放面实测支架载 荷投有因采高的增加而增加，甚 至小于相 似地质条 件下采高较小的一般综采面 ，因此 出现了可以降低 综放支架工作阻力的观点。虽然这对于工作面顶板 下沉量的影 响不大 图 3 ， 但对于端面顶板的冒落却 有很大的影响 图 2 在综放面 ，一方面希望顶煤 自 良好 可放性 ，同时不希 望端面发 生 冒落， 从这点考 虑，应适当增 加综放支架工 作阻 力，使其 小于 临 界阻力 P 值 。 维普资讯 第 1 g 卷第 4 期 曹胜根等．综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究 此外， 当支护角度 即水平 支护力不同时 ， P o 也 会发生变化。 随水平支护 力的增大， P。 值减小 ， 圉此 为最大限度地发挥支架的支撑效能，还应适 当增加 水平支护力。 4 结论 1 对于综放开采 ，由于直接顶厚度成倍增加， 其支架一 围岩关系和一般综采面有很大的不同， 工作 面顶板下沉量与支架工作阻力间并不存在类双 曲线 关 系，用顶板最大下沉量判 断直接顶 含顶煤 的稳 定性 已失去意义 。 2 在顶煤块 度和 力学性质 一定时，端面顶板 的稳定性主要取决于端面距和支护阻力的大小。端 面距在一 定范围之 内， 增大支护阻力可 以减小端面 冒落拱的拱高，甚至可 以使端面块体保持住暂时的 平衡。端面距超过 一定值时，增大支护阻 力不能控 制端面顶板 的冒落。 3 支护阻 力 端面顶板下沉量 曲线 呈类双 曲线 关系 ， 端面距 的大小 只是改变端面顶板 r 沉量的绝 对值 ，不改变 曲线 形状。综放面 岩层控制的重点是 端面顶煤的稳定性。 d 综放 支架工作阻力可根据 支护阻力 端面顶 板下沉量曲线 即端面顶板 允许下沉量来确定。从综 放面岩层控制 的实践出发 ，综放支架工作阻 力 但 不能降低 ， 还要适当增加 ， 使其不小于 P o 值 。 参考文献 l 曹胜根． 钱鸣高． 刘长友等． 采场支架一 围岩关系新研究[ J ] ．煤炭 学报 ，1 9 9 8 ， 2 3 6 |5 7 5 5 7 9 2 钱鸣高， 何富连， 王作棠等 再论采场矿山压力理论[ J ] 中国 业大学学报． 1 9 9 4 ． 2 3 3 1 ～9 3 钱鸣高， 张顶立． 黎良杰 砌体粱的 S - R ” 稳定受其应用[ J ] 矿山压力与顶板管理， 1 9 9 4 ． 3 6 ～1 0 N UM ERI CAL S I M U LATI ON STUDY ON ROO F STA BI LI TY OF F ACE AREA I N FULLY M ECH ANI ZED M I NI N G W I TH ToP COAL CAVI NG Ca o Sh e n g g e n，Oi n n Mi n g g a o，Mi a o Xi e x i n g，L i u Ch a n g y o u Ch i n a ＆ o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o fl t X z h o u 2 2 1 0 0 8 C h i n a Abs t r a c t W i t h i nc r e m e nt of t he t hi c kn e s s o f i m m e dl a t e r o o f i n c l ud i ng t op c oa l ，t h e r e l a t i o n c Hr v b e t w e e n r o o f c o n v e r g e n c e a n d s u p p o r t r e s ist a n c e u s u a l l y i s n o t s i mi l a r t o a h y p e r b o l a，s o i t i s n o t s i g n i f i c a n t t o de t c r mi ne t h e s t a b i l i t y of i m me d i a t e r oo f i nc l udi n g t o p c o a l wi t h t he ma xi m a l r o of c o nv e r ge n c e ． The r oo f s t a bi l i t y of f a c e a r e a i n f u l l y me c ha ne d m i n i ng wi t h t o p c oa l c a v i n g a nd t he r e l a t i o ns h i p b e t we e n s u pp o r t r e s ist a nc e a n d t h e d i s t a nc e t o f a c e a r e a l l al yz e d b y u s i n g n um e r i c a l c a l c u l a t i o n w i t h U DEC p r o gr a m - Th e c a l c ul a t i o n r e s uI t s s h ow t ha t t he c a vi ng o f fa c e a r e a i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t he s uppo r t r e s i s t a nc e a nd t h e s up p or t a n gl e i n t h e a r e a w i t h a c e r t a i n d i s t a n c e t o fa c e，a n d t h e r e l a t i o n c ur ve be t w e e n s upp o r t r e s ist R a C e a nd r o o f c o n ve r g e n c e i n f a c e a r e a i s s i m i l a r t o a h yp e r b o l a Ba s e d o n t h e s e， a ne w m e t hod i s pr op o s e d t o de t e r m i ne t he s u p po r t r e s i s t a nc e o f t he fu l l y m e c h an i z e d m i n i n g w i t h s ubl e v e l c a v i ng． Ke y wo r d s P △ d c ur v e，fu l l y m e c ha n i z e d m i ni n g w i t h t o p c o a l c a v i n g，s up p or t r e s i s t a nc e，r oo f s t a b i l i t y i n f ac e ar ea 维普资讯