倾斜煤层底板采动破坏深度计算及破坏特征分析

作者:郑伟; 刊名:煤矿安全 上传者:王加春

【摘要】根据半无限体理论,建立了倾斜煤层走向底板采动破坏深度力学求解模型,计算了倾斜煤层底板采动最大破坏深度.以平煤十矿的开采地质条件为工程背景,基于FLAC3D数值仿真软件,对22300工作面底板采动破坏特征进行数值模拟.研究表明:沿煤层走向方向,底板采动塑性破坏区大致呈1个勺底偏向停采线一侧的“勺状”分布形态,且当推进至工作面“见方”期(回采距离等于工作面斜长)时,底板采动破坏深度首次达到峰值15 m.采用位移传感器法,对底板破坏深度进行现场实测,底板位移监测曲线表明,底板采动最大破坏深度为14~16 m,与理论计算及数值模拟所得结果吻合.

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工作面回采过程中,煤层底板岩体在采动应力作用下产生变形与破坏,最终形成一定深度的底板破坏带[1-2]。长期以来,国内专家学者对煤层底板采动破坏特征开展了大量的研究工作,取得了丰硕的理论成果[3-6]。虽然以上理论成果对煤矿的安全生产发挥了重要作用,但还存在明显的不足。一方面未能考虑渗流场与应力场的相互作用,忽视了底板承压水对煤层底板采动破坏深度的影响效应;另一方面没有考虑煤层倾角对倾斜煤层走向底板破坏深度的影响[8-11]。鉴于以上不足,以平煤十矿的采场条件为工程背景,对倾斜煤层底板破坏深度进行了系统研究。1倾斜煤层走向底板采动破坏深度计算1.1力学计算模型在工作面超前支承压力的作用下,工作面底板岩体产生塑性破坏,形成底板采动破坏区。为研究倾斜煤层走向底板的采动破坏深度,将倾斜煤层采动底板简化为一空间半无限体[12],根据滑移线场理论和弹性理论,结合倾斜煤层走向长壁开采工作面底板的支承压力分布规律,建立了倾斜煤层走向底板采动破坏深度求解力学模型和工作面走向底板受分布载荷作用力学计算模型(图1和图2)。图2工作面走向底板受分布载荷作用力学计算模型1.2底板破坏深度力学计算根据弹性力学中的半无限体理论,工作面采动底板内任一点处的水平应力、剪应力为:x=q(1-2+sin(1-2)cos(1+2))y=q(1-2+sin(1-2)cos(1+2))xy=q(sin(1-2)cos(1+2)!#"#$)(1)式中:x、y、xy分别为工作面底板内任一点处的x方向水平应力、y方向水平应力以及剪应力,MPa;q为煤壁前方超前支承压力线性等效荷载,MPa。考虑煤层底板自重效应,将式(1)和q分别代入底板主应力计算公式,可得工作面走向底板内任一点处的主应力为:1=cos((k+1)gH2-p)((sin+cos)+sin)-g(ycos+M(-1)cos)3=cos((k+1)gH2-p)((cos-sin)-sin)-g(ycos+M(-1)cos)(2)式中:1、3分别为工作面走向底板内任一点处的最大水平主应力和最小水平主应力,MP;为采场底板岩体平均密度,t/m3;为煤层倾角,();k为煤壁前方超前支承压力集中系数;为顶板冒落带碎胀系数;为极坐标下oM与ox轴正方向的夹角,();y为工作面走向底板采动破坏深度,m;M为煤层厚度,m;H为煤埋深,m。当煤层底板内任一点发生塑性破坏时,底板主应力满足极限平衡条件,根据摩尔-库伦屈服判据可得:12(1-3)=Ccos0+12(1+3)sin0(3)式中:C为煤层底板岩体平均黏聚力,MPa;0为煤层底板岩体平均内摩擦角,()。由式(2),式(3)可得,沿工作面走向方向,底板采动破坏深度为:y=cos2g((k+1)gH2-p)((cos-sinsin0)-sinsin0)+Ccosgtan0+M(-1)(4)令dy/d=0,得:=arccos(cossin0-sin)。将=arccos(cossin0-sin)代入式(4)可得,沿工作面走向方向,底板采动最大破坏深度hmax为:hmax=cos2g((k+1)gH2-p)((cos-sinsin0)-sinsin0)+Ccosgtan0+M(-1)(5)根据平煤十矿22300工作面的开采地质条件,取煤层厚度M=1.75m,煤层倾角=25,煤层埋深H=450m,煤壁前方超前支承压力集中系数k=2.15,底板岩体平均密度=2.2t/m3,顶板冒落带碎胀系数=1.2,底板岩体平均内摩擦角0=45,底板岩体平均黏聚力为C=3.8MPa。将以上数据代入式(5)可得,22300工

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