急倾斜煤层综放开采顶煤破坏过程数值模拟研究

作者:刘洋;方刚; 刊名:中国煤炭 上传者:刘华

【摘要】综放开采急倾斜煤层的基本前提为顶煤的有效破坏,但目前对于其沿工作面方向的力学结构研究成果不多。应用数值模拟方法,建立结构力学模型,通过应力解析,研究了顶煤沿倾向破坏的演化历程。研究发现,顶煤体中形成稳定冒落拱的力学机理是由于随着冒落的不断发展,直至拱圈内仅有压应力时达到稳定平衡。采用预先对底板侧煤体进行强度弱化处理,使顶煤冒落拱形态由全拱形向半拱形扩展,将有助于拱圈以上煤体的破坏发展,有利于减少底板侧三角煤损失。

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从开展放顶煤技术研究开始,就十分重视顶煤破坏过程的研究,因为顶煤的破坏是顶煤放出的前提。只有在支架后方、放煤窗口上方的顶煤完全转化为散体介质,才能从放煤窗口流动放出。根据几 十载诸多研究成果可知,其工作面前方顶煤从完整到破碎与放出,都是由支承压力和支架作用的结果。这些縣丰訂顧舰細论,肖力雌动了放爾縣财賊稍躺職;1。 但是,以賊是制騎I細推进方向顶煤破坏发展过程进行的研究,而顶煤体的动态破坏冑化不仅与紐加肖关,目__肖财I:細加%力学结构贼紋,肖聽麵親縣顧賴言则更加重要,但至今相关领域的研究成果较少,因此有必碰紐-频帛a賊。 顶煤破坏研丸现状 近年来,国内外许多单位及学者对综放开采条件下,顶煤破坏和运动过程进行了现场观测,并对顶煤的破坏进行分区。吴健等认为顶煤移动过程分为两个阶段;张顶立、靳钟铭均将顶煤的破坏分为个区,为顶煤结构划分奠定了基础;石平五、黄庆享等将急倾斜特厚煤层顶煤破坏运动分为两个阶段;史元伟将顶煤沿控顶区方向分为两个区;闫少宏提出了两种顶煤分区的判断方法;冯国才等将顶煤的移动划分为三个阶段。大量的研究认为顶煤的变形破坏是一个渐变过程,可将顶煤这一物理力学性质的转化过程分为几个特征区域。顶煤的顺利放出是放顶煤开采成功的关键,因此顶煤在支架放煤口上方充分破碎是放顶煤开采顶煤冒放性研究的出发点和归宿,也是进一步研究松散顶煤落放规律的基础。 本文将针对急倾斜煤层在综放开采条件下,沿工作面方向顶煤破坏的力学结构进行数值模拟分析,深人研究其破坏及发展过程。 数值樽拟研穷 顶煤体的放出是一个动态的过程,其间顶煤体的形状及应力状态也随之不断变化。对急倾斜煤层 言,最不利于顶煤放出的情况是随着支架破煤作的完成,在支架上的松散煤体与上位顶煤之间发了离层,冒落区内破碎松散的煤体可通过放煤窗放出,冒落区上部的顶煤由于形成拱形的自稳结,将会无法放出,急倾斜煤层顶煤放出后形成的形自稳结构见图1。据此,可以构建成如图2所示顶煤冒落后的力学模型,此模型的求解极为复杂,而采用数值模拟的方法,研究顶煤放出过程中,体内应力状态的变化过程,以期能探寻冒落过程 倾斜 中顶煤体成拱机理以及顶煤的破坏发展历程。 /TTT(/TnTn 鍾___1 阁2急倾斜煤层放顶后简化的力学模型 本次采用ABAQUS有限元分析程序,ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一,具有先进的建模、分析、监测和控制以及结果评估的完整界面.软件可进行线性静力学、动力学、热传导、非线性和瞬态分析以及多体动力学分析。 依据某煤矿工作面开采参数,按照顶煤最不利放出力学模型,建立计算模型。研究区域选取为28.6mX18m的顶煤体,左右边界处固定约束,模型上部以均布荷载模拟上分层残留煤矸对顶煤的作用力,模型下部为自由面。采用2D平面结构CPS4R单元,该单元由4节点组成,在单元节点上有3个自由度’即分别沿着3个坐标轴方向。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。模型共划分551个单元,约束及网格剖分如图3所示。 ,明R1R5R7R9RI1F11F9F7F5F1 : 》t_讀^^七丨4姻!丨丨丨J封:::=:、::y 图3计算模型及网格剖分图 数值分析中以开挖来模拟顶煤的冒落,考虑了顶煤体的4种冒落状态,分析研究煤体内应力状态的变化。 第一种(I):支架上方松散煤体已放出的情况,即形成最不利放出时状态。 第二种(n):下部拉破坏区内顶煤在拉应力的作用下发生破坏冒落的情况。 第三种(ID):顶煤初次冒落后,煤体内的应力状态发生改变,冒落拱周围应力急剧变化,造成顶煤破坏发展,引起拱圈

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