急倾斜煤层伪斜开采围岩变形规律数值模拟

作者:刁乃勤;郭立稳;李树志 刊名:河北理工大学学报(自然科学版) 上传者:解光江

【摘要】应用三维有限差分软件FLAC3D模拟伪斜开采,结合理论分析,揭示了基本顶和直接底的移动变形规律。结果表明,基本顶变形在伪斜方向上存在明显差异,上段持续时间长,速率增加快,破坏高度高,范围扩展到回风平巷外侧,下沉垮落区最终呈非对称拱形,拱顶约位于工作面中上段正上方;直接底在工作面处各分段处于底鼓不同阶段,下段开采压力集中释放,底鼓速率快速增长且稳定在较高数值,对底板破坏严重。以上原因在于矸石沿伪斜滚落堆积形成充填带,对工作面下段围岩变形起到抑制作用,而上段顶板在开采过程中悬露空间不断加大,膨胀卸压不受约束。

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第 33 卷 第 4 期 河北理工大学学报 ( 自然科学版) Vol. 33 No. 4 2011 年 11 月 Journal of Hebei Polytechnic University ( Natural Science Edition) Nov. 2011 收稿日期:2010-12-31 文章编号:1674-0262( 2011) 04-0009-04 急倾斜煤层伪斜开采围岩变形规律数值模拟 刁乃勤1,郭立稳1,李树志2 ( 1. 河北联合大学 矿业工程学院,河北 唐山 063009;2. 煤炭科学研究总院唐山研究院,河北 唐山 063012) 关键词: 急倾斜; 伪斜; 围岩变形; 数值模拟; FLAC3D 摘 要: 应用三维有限差分软件 FLAC3D 模拟伪斜开采,结合理论分析,揭示了基本顶和直接底的移动变形规律。结果表明,基本顶变形在伪斜方向上存在明显差异,上段持续时间长,速率增加快,破坏高度高,范围扩展到回风平巷外侧,下沉垮落区最终呈非对称拱形,拱顶约位于工作面中上段正上方; 直接底在工作面处各分段处于底鼓不同阶段,下段开采压力集中释放,底鼓速率快速增长且稳定在较高数值,对底板破坏严重。以上原因在于矸石沿伪斜滚落堆积形成充填带,对工作面下段围岩变形起到抑制作用,而上段顶板在开采过程中悬露空间不断加大,膨胀卸压不受约束。 中图分类号: TD263. 2 文献标志码: A 急倾斜煤层开采时,由于倾角较大,重力方向与岩层层理面方向夹角变小,重力沿层理面作用力大大增加。这使得围岩移动规律、顶板冒落形态与缓倾斜煤层开采相比,过程更为复杂。伪斜长壁采煤法是急倾斜煤层开采的有效方法,具有巷道系统布置简单,对煤厚变化适应性强,机械化程度高,回采率高等优点。本文以开滦赵各庄矿急倾斜煤层为研究对象,应用三维有限差分软件 FLAC3D 进行数值模拟分析,探讨伪斜开采围岩移动变形规律,为工作面合理支护提供理论依据。 1 建立模型 1. 1 几何参数 模拟煤层厚度 2. 5 m、倾角 α =55°、埋深 1000 m。模型沿走向长 150 m,宽 71 m,高 130 m,以岩层层面为主要结构面,划分六面体单元46 000 个,生成网格节点 50 184 个。为了消除模型边界约束对分析结果的影响,采区位于模型中心,模型网格结构如图1 所示。 考虑到综采设备、工作面落煤运煤、冒落矸石自然堆积角等要求,设计工作面与倾斜方向夹角 φ = 52°,伪斜角 β =30°,采区阶段高度 h =50 m,伪斜参数情况如图2 所示。工作面长度 L 按下列公式计算: L = h/sinβ =100 m 图 1 FLAC3D 模型网格图 图 2 伪斜工作面布置图 模拟过程中工作面沿走向推进,循环开采步距为3 m,共计算 21 个循环,工作面推进 63 m。 1. 2 边界条件设置及岩层参数选择 模型底部施加 Z 向竖直位移约束,四周施加 X、Y 向水平位移约束,顶面为自由边界,施加均布荷载为23. 45MP 的边界应力,内部施加重力和构造应力载荷。依据开滦矿区水压致裂法测定地应力成果: 赵各庄矿区最大地应力近于垂直( 约为26. 12MPa) 、中间和最小主应力近于水平( 约为12. 86MPa、8. 76MPa) 。模型中通过设置渐变应力,生成工作面附近 Z 向23. 45 ~26. 89MPa、X 向7. 55 ~8. 70MPa,Y 向11. 28 ~13. 00MPa 梯度变化的构造应力,符合原岩地应力分布情况。 模型共划分煤岩层9 层,各层物理力学参数见表1。 表

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