综放采场顶煤破坏影响因素的数值试验研究

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综放采场顶煤破坏影响因素的数值试验研究
刘 宁， 杨永康， 康天合
3D
（ 太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024 ） 摘 要： 针对公乌素地区 16 号煤层实际情况， 运用正交试验方法和 FLAC 软件对顶煤破坏影响规律进行研究， 得 到对工作面控顶区内顶煤破坏影响因素的主次排序： 埋深 ＞ 煤单轴抗压强度 ＞ 工作面长度 ＞ 支架支撑力 ＞ 煤厚。 3D 关键词： 顶煤破坏； 综放开采； FLAC － 8725 （ 2013 ） 01 － 0065 － 03
收稿日期： 2012 － 03 － 07 ； 修订日期： 2012 － 11 － 12 51174141 ） 基金项目： 山西省科技攻关（ 工业） 项目（ 2011032101504 ） ； 国家自然科学基金资助项目（ 50974093 ， 作者简介： 刘宁（ 1983 － ） ， 男， 山西大同人， 在读硕士， 从事采矿工程及软岩控制工程研究工作 。
LIU Ning ，YANG Yong － kang ，KANG Tian － he
引言
煤过程中才开始出现松动， 致使其冒落在采空区难 以回收。煤层抗压强度愈大， 则煤层的粘结系数或 内摩擦角愈大， 使煤体达到破坏所需的应力也相应 地增大， 影响顶煤在矿山压力作用下的破碎程度 。 工作面长度越长， 采场矿山压力越大， 使顶煤进入支 架上方越易破碎， 有利于顶煤的放出， 但工作面越长 也增加了事故的发生率， 给生产管理带来困难。 支 架对顶煤的作用实质是使其产生变形失稳 ， 使顶煤 支架支撑力小， 使端面上方顶煤的 的破坏得到发展， 变形增大， 造成端面顶煤的破碎； 支架支撑力大， 支 架后部顶煤的刚度相对较小， 变形增大， 支架后部顶 ［2 ］ 煤的破碎作用增强 。
Numerical Simulation of Effect Factors of Top Coal Damage at Fully Mechanized Mining Face
（ Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024 ，China） Abstract ： According to the actual storage conditions of No． 16 coal seam in Gongwusu area，the orthogonal experimental design method and FLAC3D were applied to study the effect law of top coal damage． Research showed that the primary and secondary sequence of the five factors on top coal damage effects in fully mechanized top coal caving mining was： the coal deep ＞ the uniaxial compressive strength of coal ＞ the length of working surface ＞ the anchorage force of stents ＞ the thickness of coal seam． Key Words： top coal damage； fully mechanized top coal caving mining； FLAC3D
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Vol． 32 ， No． 01 炭 技 术 2013 January， Coal Technology 檭檭檭檭殐 第 32 卷第 1 期 2013 年 1 期
煤
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开采技术
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综放开采的理论研究与工程实践均已证实， 放 顶煤工作的核心问题是顶煤的破碎和顺利放出 ， 而 顶煤的有效破碎和冒落又是顶煤能顺利放出的前 ［1 ］ 提， 也是衡量放顶煤效果的主要指标 。 从提高顶煤的冒放性角度考虑， 影响顶煤破碎 煤体内的 和冒放性的因素有很多。 煤层埋深愈大， 应力值愈大， 顶煤的预破碎程度愈高， 使进入支架上 方的顶煤也愈易破碎， 煤层赋存深度对综放采场的 顶煤破碎效果有决定性的影响。过薄的顶煤相当于 一种伪顶， 随采随冒， 而且冒落也无规律可循； 顶煤 过厚时， 其上部顶煤很难得到充分松动破碎 ， 直至放
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第 32 卷
在模型中， 煤岩层呈水平状态， 全厚模拟顶板。 计算中假设煤岩体分层均质各向同性， 初始应力为 静水应力场， 即垂直和水平应力均为上覆岩层重量 γH。模型的前、 后、 左、 右四侧仅约束水平位移， 底 上部模拟全厚， 为自由边 部约束水平和垂直位移， ［5 － 6 ］ 。 界。模型内各单元均考虑自重的作用 2． 3 模拟过程 1 地质概况 在计算 过 程 中， 沿工作面推进方向每次开挖 开挖高度 2． 8 m， 计算至平衡。以此循环， 直至 公乌素地区目前正在开采 16 号煤层， 埋深为 2 5 m， 245 m 。 ， 在计算过程中 基本上按现场 ～ 200 m， 厚度为 7． 6 ～ 8 m， 平均 7． 8 m， 倾角为 8° ～ 工作面推进 顶板垮落规律来模拟顶煤、 顶板的垮 25° ， 单轴抗压强度为 10 ～ 13MPa， 煤层节理裂隙发 监测的顶煤、 。 10 m ， 直接顶初次垮落步距 育， 结构复杂， 含硫量高； 底板是厚度为 3 ～ 5 m 灰白 落 顶煤初次垮落步距 基本顶初次来压步距 25 m。 之后， 按照工作 色的细砂岩， 直接顶是深灰色的砂质泥岩或层状泥 15 m， 将煤壁后 5 ～ 10 m 的顶煤取出。 直 面控顶距 5 m， 煤层至地表的基岩属第四纪沉积 。 岩， 接顶垮落后， 按碎胀系数 1． 35 填充采空区。 直接顶 2 试验方案与结果分析 碎胀后厚度 16． 61 m。 基本顶周期来压 厚 12． 3 m， 10 m ， 步距 将煤壁后 5 ～ 15 m 的基本顶周期性垮 正交试验法是研究与分析多因素试验的方法， 基本顶 和 上 覆 岩 层 垮 落 后 的 初 始 碎 胀 系 数 取 用部分试验代表全部试验的情况是其最大特点 。 正 落， 1． 2 ， 上覆岩层垮落厚度根据各方案所开采的煤层厚 交表 有 正 交 性、 代表性和综合可比性的基本性 ［3 － 4 ］ 度不同而异。 。 质 2． 4 顶煤破坏性的评价方法与评价指标 2． 1 试验方案 放顶煤开采的顶煤回收率取决于顶煤可放性。 根据国内外现有的综采放顶煤开采理论技术， 顶煤可放性是指放顶煤开采时支架上方煤体在支承 结合公乌素地区 16 号煤层赋存条件， 研究分析煤层 冒落性和放出性。 顶煤可放 赋存深度、 煤层厚度、 工作面长度、 煤单轴抗压强度 压力作用下的破碎性、 。基于极限平衡理论和 性的好坏取决于其破坏程度 和支架支撑力等 5 个因素对工作面控顶区内顶煤破 并依据由煤壁前方到支架上方支承 坏的影响规律。将影响顶煤压裂的 5 个因素分别取 现场观测结果， ， 压力变化和作用 顶煤变形、 破坏、 移动和松动放出 以下 5 个值， 见表 1 ， 确定此次试验为 5 因素 5 水平 ［1 ］ 在数值计算中引入顶煤破坏系数的概念 。 过程 ， 问题。采用正交设计方法得出 25 个计算方案。 表 1 试验方案中考虑的因素与水平 在工作面推进过程中， 顶煤逐渐由弹性变形进 ， 。 入塑性变形 煤壁前方支承压力出现先增后降过程 厚度 长度 强度 给定支 深度 水平 ， /H /m /M /m /L /m / Rc / MPa 在支承压力达到峰值点之前煤体呈弹性变形状态 架力 / kN 顶煤处于原生裂隙闭合和压缩状态； 在支承压 100 5 100 3 3 000 Ⅰ 支承压力逐渐降低， 顶煤单元破 力达到峰值点之后， 200 7 175 7 6 000 Ⅱ 300 9 250 11 9 000 Ⅲ 坏程度逐渐升高， 顶煤破坏程度与支承压力降低量 400 11 325 15 2 000 Ⅳ 之间存在对应关系。依据岩石力学的库仑—摩尔强 500 13 400 19 15 000 Ⅴ 定义顶煤各单元破坏程度的大小 ， 称其为破 度理论， 2． 2 试验模型 碎系数 Z 。然后将单元破碎系数加权平均， 即可得 3D 采用 FLAC 有限差分软件对 16 号煤层综放开 到反映顶煤总体破坏程度的综合指标量值 Y。 定义顶煤单元的破坏系数 Z ： 采过程中， 采场的三维应力分布和顶煤的破坏规律 16 号 进行数值模拟， 计算模拟 16 号煤底板厚 30 m， Δσ1 Z= （ 1） 7 m， 9 m， 11 m 和 13 m， 1 + sinφ 煤厚分别为 5 m， 顶板岩层 Rc + Δσ3 1 － sinφ 200 m， 300 m， 400 m 和 500 m， 分别为 100 m， 则不同 ， 式中 Δσ1 为支承压力峰值后最大主应力降低 方案模型高度为 135 ～ 543 m。 在工作面推进方向 MPa； Δσ3 为 支 承 压 力 峰 值 后 最 小 主 应 力 降 低 起始端侧留 50 m 实体煤， 工作面推进长度 245 m， 量， MPa； R c 为顶煤的单轴抗压强度， MPa； φ 为顶煤 停采线前方留 85 m 实体煤， 则模型的长度均为 380 量， m。工作面长度分别为 100 m， 175 m， 250 m， 325 m 的内摩擦角。支承压力达到峰值之前， 顶煤处于弹 定义其破坏系数 Z = 0 。 当支承压力越 和 400 m， 工作面长度方向两端各取 30 m 实体煤 性变形阶段， 顶煤部分单元屈服破坏， 其屈服破坏单 柱。考虑对称性， 沿工作面长度方向取一半， 则不同 过峰值之后， 其值越大， 破坏程度越高。 方案的模型宽度为 80 ～ 230 m。 取工作面推进方向 元的破坏系数 Z ＞ 0 ， 在对计算结果进行分析时， 取支架控顶区域顶 为 X 轴 （ 模 型 长） ， 工作面长度方向为 Y 轴（ 模型 宽） ， 垂直方向为 Z 轴（ 模型高） 。 煤的单元进行分析。 由于单元体积大小不等， 所以 文中针对公乌素地区 16 号煤层的实际赋存情 况， 在其综放开采过程中， 采用正交试验方法， 运用 3D FLAC 有限差分软件对顶煤破坏的影响规律进行 主要研究了埋深、 煤厚、 煤单轴抗压强度、 数值模拟， 工作面长度和支架支撑力等 5 个重要因素对顶煤破 坏的影响规律。