急倾斜煤层工作面应力分布与破坏特征数值模拟

作者:张艳伟;邢望 刊名:煤矿安全 上传者:赵承平

【摘要】根据新铁煤矿49#下右六片急倾斜煤层走向长壁综采工作面煤岩赋存条件以及回采工作面采空区冒落矸石的充填特征,应用FLAC3D软件模拟在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征。研究结果表明:急倾斜煤层开采过后,工作面上下端部垂直应力集中系数最大,应力集中现象非常严重且在采空区后方距工作面煤壁15 m附近上下端部垂直应力达到最大值;在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,剪切应力先减小,然后增加,最后趋于稳定,在采空区后方距工作面煤壁34~38 m区域剪切应力最小;工作面顶板塑性破坏剧烈,塑性破坏形式多样,工作面底板破坏较小,破坏形式简单,顶板上端部破坏高度小,顶板下端部破坏高度大。

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急倾斜煤层工作面在开采过程中,煤层倾角大,重力在煤层上的力可以分为沿煤层方向和垂直煤层方向,而水平煤层的重力都是垂直煤层方向的,这就使得急倾斜煤层开采时,顶板垂直应力、剪切应力和塑形破坏规律与水平煤层相比更加复杂。因此,在急倾斜煤层开采过程中,顶板应力和塑性区的研究对急倾斜煤层的开采有很重要的作用[1-5]。以新铁煤矿49#下右六片急倾斜工作面为研究对象,应用三维有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析,研究急倾斜煤层开采过程中顶板应力分布规律及顶底板塑性破坏规律,为支架选型和急倾斜工作面的围岩支护提供理论依据[6-10]。1工程概况新铁煤矿隶属于龙煤集团七台河分公司,设计开采49#下右六片急倾斜工作面,该工作面处在一水平,地面标高+211m,井下标高-141-215m,走向可采长度451m,倾斜长度84m,工作面可采面积37884m2。49#煤层分叉为49#下和49#上2层,在49#下右六片工作面范围内,煤层赋存稳定,全部可采,煤层厚度1.7m,煤层倾角5862,平均60,普氏系数是0.8,采用走向长壁综合机械化开采。2模型建立2.1模型尺寸模型整体尺寸的长宽高=160m80m200m。模型构建采用分区组合方式形成三维有限元计算型。共划分六面体单元278400个,节点296919个。2.2模型边界和初始条件模型边界约束条件:四周边界面及下边界为位移边界条件,上边界为应力边界条件,选用摩尔-库伦准则。该工作面的地质条件比较的简单,在综合考虑小断层和地质构造应力的影响下,岩体内部受到自重应力和边界稳定应力的作用。2.3岩层物理力学参数根据工作面煤岩力学参数测试,各岩层的物理力学参数见表1。表1岩层物理力学参数类别名称密度/(tm-3)体积模量/GPa切边模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/()上覆岩层粗砂岩2.508.06.02.32.825老顶粗砂岩2.537.75.21.92.524直接顶细砂岩2.606.84.01.32.120粉砂岩2.555.34.211.52249#煤层1.354.23.10.91.218伪顶粉砂岩2.555.34.211.522煤层49#下煤层1.354.23.10.91.218直接底粉细互层2.586.55.82.12.823老底粉细互层2.507.06.02.53.0253模拟结果分析3.1应力分布特征3.1.1垂直应力从图1顶板上下端部最大垂直应力图可知,在工作面的上下2个端头的围岩中垂直应力最大,分别为25.22MPa和22.81MPa,且上端部的最大垂直应力在采空区后方距工作面煤壁15m处左右,下端部的最大垂直应力在采空区后方距工作面煤壁14m处左右。同工作面未开采前的计算结果相比较,垂直应力在工作面的上下2个端头应力集中系数分别为2.80和2.13,其应力集中主要是由于煤层开采以后,采空区上部岩层重量向采空区周围新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带,工作面倾斜和仰斜方向的煤体上形成固定支承压力,在采过一段时间后就不再发生变化。在计算所得的应力增高系数下部端头的相对较小,是由于回采工作面推过一段距离后,采空区上覆岩层活动区域稳定,采空区内某些地带冒落矸石逐渐压实,使上部岩层在不同程度上重新得到支撑,而使应力集中得到缓解。图1顶板上下端部最大垂直应力3.1.2剪切应力图2是工作面顶底板最大剪切应力曲线,可以看出:图2工作面顶底板最大剪切应力曲线1)在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,应力的影响范围在不断的增加,应力大小不断的减小。2)在距工作面05m内工作面顶底板最大剪切应力变化最

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