急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數(shù)值模擬研究

劉 洋方 剛

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077; 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054)

急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數(shù)值模擬研究

劉 洋1,2方 剛1,2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077; 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054)

綜放開采急傾斜煤層的基本前提為頂煤的有效破壞,但目前對于其沿工作面方向的力學(xué)結(jié)構(gòu)研究成果不多。應(yīng)用數(shù)值模擬方法,建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,通過應(yīng)力解析,研究了頂煤沿傾向破壞的演化歷程。研究發(fā)現(xiàn),頂煤體中形成穩(wěn)定冒落拱的力學(xué)機(jī)理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱圈內(nèi)僅有壓應(yīng)力時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平衡。采用預(yù)先對底板側(cè)煤體進(jìn)行強(qiáng)度弱化處理,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴(kuò)展,將有助于拱圈以上煤體的破壞發(fā)展,有利于減少底板側(cè)三角煤損失。

急傾斜煤層 綜放開采 頂煤破壞 力學(xué)結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬

從開展放頂煤技術(shù)研究開始,就十分重視頂煤破壞過程的研究,因?yàn)轫斆旱钠茐氖琼斆悍懦龅那疤?。只有在支架后方、放煤窗口上方的頂煤完全轉(zhuǎn)化為散體介質(zhì),才能從放煤窗口流動(dòng)放出。根據(jù)幾十載諸多研究成果可知,其工作面前方頂煤從完整到破碎與放出,都是由支承壓力和支架作用的結(jié)果。這些成果豐富了放頂煤開采理論,有力地推動(dòng)了放頂煤開采技術(shù)持續(xù)不斷地向前發(fā)展。

但是,以往都是針對沿著工作面推進(jìn)方向頂煤破壞發(fā)展過程進(jìn)行的研究,而頂煤體的動(dòng)態(tài)破壞演化不僅與推進(jìn)方向有關(guān),而且與沿著工作面方向的力學(xué)結(jié)構(gòu)形式有關(guān),針對急傾斜煤層綜采放頂煤而言則更加重要,但至今相關(guān)領(lǐng)域的研究成果較少,因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

1 頂煤破壞研究現(xiàn)狀

近年來,國內(nèi)外許多單位及學(xué)者對綜放開采條件下,頂煤破壞和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了現(xiàn)場觀測,并對頂煤的破壞進(jìn)行分區(qū)。吳健等認(rèn)為頂煤移動(dòng)過程分為兩個(gè)階段;張頂立、靳鐘銘均將頂煤的破壞分為4個(gè)區(qū),為頂煤結(jié)構(gòu)劃分奠定了基礎(chǔ);石平五、黃慶享等將急傾斜特厚煤層頂煤破壞運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段;史元偉將頂煤沿控頂區(qū)方向分為兩個(gè)區(qū);閆少宏提出了兩種頂煤分區(qū)的判斷方法;馮國才等將頂煤的移動(dòng)劃分為三個(gè)階段。大量的研究認(rèn)為頂煤的變形破壞是一個(gè)漸變過程,可將頂煤這一物理力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程分為幾個(gè)特征區(qū)域。頂煤的順利放出是放頂煤開采成功的關(guān)鍵,因此頂煤在支架放煤口上方充分破碎是放頂煤開采頂煤冒放性研究的出發(fā)點(diǎn)和歸宿,也是進(jìn)一步研究松散頂煤落放規(guī)律的基礎(chǔ)。

本文將針對急傾斜煤層在綜放開采條件下,沿工作面方向頂煤破壞的力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,深入研究其破壞及發(fā)展過程。

2 數(shù)值模擬研究

頂煤體的放出是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,其間頂煤體的形狀及應(yīng)力狀態(tài)也隨之不斷變化。對急傾斜煤層而言,最不利于頂煤放出的情況是隨著支架破煤作用的完成,在支架上的松散煤體與上位頂煤之間發(fā)生了離層,冒落區(qū)內(nèi)破碎松散的煤體可通過放煤窗口放出,冒落區(qū)上部的頂煤由于形成拱形的自穩(wěn)結(jié)構(gòu),將會(huì)無法放出,急傾斜煤層頂煤放出后形成的拱形自穩(wěn)結(jié)構(gòu)見圖1。據(jù)此,可以構(gòu)建成如圖2所示的頂煤冒落后的力學(xué)模型,此模型的求解極為復(fù)雜,故而采用數(shù)值模擬的方法,研究頂煤放出過程中,煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的變化過程,以期能探尋冒落過程中頂煤體成拱機(jī)理以及頂煤的破壞發(fā)展歷程。

圖1 急傾斜煤層頂煤放出后形成的拱形自穩(wěn)結(jié)構(gòu)

圖2 急傾斜煤層放頂后簡化的力學(xué)模型

本次采用ABAQUS有限元分析程序, ABAQUS是國際上最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件之一,具有先進(jìn)的建模、分析、監(jiān)測和控制以及結(jié)果評估的完整界面,軟件可進(jìn)行線性靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、非線性和瞬態(tài)分析以及多體動(dòng)力學(xué)分析。

依據(jù)某煤礦工作面開采參數(shù),按照頂煤最不利放出力學(xué)模型,建立計(jì)算模型。研究區(qū)域選取為28.6 m×18 m的頂煤體,左右邊界處固定約束,模型上部以均布荷載模擬上分層殘留煤矸對頂煤的作用力,模型下部為自由面。采用2－D平面結(jié)構(gòu)CPS4R單元,該單元由4節(jié)點(diǎn)組成,在單元節(jié)點(diǎn)上有3個(gè)自由度,即分別沿著3個(gè)坐標(biāo)軸方向。此單元可以進(jìn)行塑性、蠕變、應(yīng)力硬化、大變形以及大應(yīng)變分析。模型共劃分551個(gè)單元,約束及網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分圖

數(shù)值分析中以開挖來模擬頂煤的冒落,考慮了頂煤體的4種冒落狀態(tài),分析研究煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的變化。

第一種(Ⅰ):支架上方松散煤體已放出的情況,即形成最不利放出時(shí)狀態(tài)。

第二種(Ⅱ):下部拉破壞區(qū)內(nèi)頂煤在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞冒落的情況。

第三種(Ⅲ):頂煤初次冒落后,煤體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,冒落拱周圍應(yīng)力急劇變化,造成頂煤破壞發(fā)展,引起拱圈部分頂煤體再次發(fā)生冒落。

第四種(Ⅳ):破壞范圍不斷增加,直至最終形成穩(wěn)定的冒落拱。

2.1 最大主應(yīng)力分布特征及演化規(guī)律

4種冒落狀態(tài)時(shí)最大主應(yīng)力對比見圖4。

(1)頂煤體內(nèi)最大主應(yīng)力分布比較復(fù)雜,但總的來講頂煤上部中間區(qū)域總是處于受壓狀態(tài),頂、底板側(cè)的上部煤體中形成拉應(yīng)力區(qū)域,在頂煤體中部形成了“蝶形”的拉壓平衡區(qū)域,該區(qū)域即為拉損傷區(qū)及彈性區(qū),在頂煤體的下部中間區(qū)域冒落前處于單向受拉狀態(tài),見圖4(a)。

(2)頂煤上部受壓區(qū)域,隨著下部頂煤的破壞發(fā)展,冒落范圍的不斷增加,壓應(yīng)力區(qū)域在不斷減小,數(shù)值也隨之降低,但變化不大,說明在冒落的過程中,壓應(yīng)力在不斷向周圍煤體中發(fā)生轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)移的趨勢為首先是頂板側(cè)拱圈,進(jìn)而發(fā)展至底板側(cè)拱圈,見圖4(b)。

(3)頂、底板側(cè)的拉應(yīng)力值較大的區(qū)域集中于頂煤上部兩角區(qū)域,這是由于開采上分層引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,且頂板側(cè)比底板側(cè)的集中現(xiàn)象還要明顯。隨著頂煤的破壞發(fā)展,拉應(yīng)力區(qū)域在不斷減小,表明在冒落的過程中,拉應(yīng)力也在不斷向周圍煤體中發(fā)展。從圖4(a)所示狀態(tài)到圖4(b)狀態(tài)的過程中,由于頂煤體幾何形狀發(fā)生改變,拉應(yīng)力也有轉(zhuǎn)移的趨勢,并且是向偏于底板側(cè)的拱頂部位發(fā)生轉(zhuǎn)移。

(4)中部“蝶形”的拉損傷區(qū)及彈性區(qū)在頂煤的冒落過程中存在不斷向周圍煤體擴(kuò)散的趨勢,表明在此過程中頂煤的穩(wěn)定性在不斷增強(qiáng),見圖4 (c)。

(5)從最大主應(yīng)力的角度講頂煤冒落直至平衡的機(jī)理是在最不利頂煤放出模型中,下部煤體由于最大主應(yīng)力大于煤體的抗拉強(qiáng)度極限而破壞和失穩(wěn)并發(fā)生冒落,冒落過程中煤體內(nèi)的拉應(yīng)力向拱頂轉(zhuǎn)移,壓應(yīng)力向拱腳及兩側(cè)拱圈區(qū)域發(fā)展,原有冒落拱在拱頂受拉,拱腳及兩側(cè)拱圈受壓的形式再次發(fā)生破壞冒落,直至最后在拱圈及周圍煤體中達(dá)到既不受拉,也不受壓的穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí),形成了穩(wěn)定的冒落拱見圖4(d)。

圖4 不同冒落狀態(tài)時(shí)最大主應(yīng)力對比

2.2 最小主應(yīng)力分布特征及演化規(guī)律

不同冒落狀態(tài)時(shí)最小主應(yīng)力對比見圖5。在圖5(a)中,下部偏于底板側(cè)的拱形區(qū)域,表示拉應(yīng)力為2.916 k Pa的區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)部分煤體也處于較大拉應(yīng)力狀態(tài),因此這一部分煤體在雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)下首先破壞冒落。冒落后煤體的力學(xué)模型發(fā)生了質(zhì)的改變,故而圖5(b)中,靠近底板側(cè)煤體深色區(qū)域的拉應(yīng)力急劇增加至91.79 k Pa,增大了30多倍,顯然這是由于力學(xué)模型改變引起的,此時(shí)的冒落拱無法穩(wěn)定,進(jìn)而冒落發(fā)展成為圖5 (c)的形態(tài),再次冒落后,拱形區(qū)域中的拉應(yīng)力降低至47.3 k Pa,降低了近50%,區(qū)域面積也隨著減小;又一次冒落后形成圖5(d)的狀態(tài),拉應(yīng)力降至5.297 k Pa,與圖5(b)中的拉應(yīng)力相比降低了94%左右,在拱圈上僅殘留著較小的主應(yīng)力,此時(shí)認(rèn)為拱圈達(dá)到了平衡穩(wěn)定狀態(tài),即隨著冒落的不斷發(fā)展,在頂煤體中形成了自穩(wěn)定冒落拱。

不同冒落狀態(tài)時(shí)主應(yīng)力矢量對比見圖6。圖中可以明顯看出在冒落過程中,最大主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的變化、轉(zhuǎn)移直至最終達(dá)到新的平衡的過程。

在圖6(a)中的下部中間區(qū)域幾乎只有拉應(yīng)力存在,該區(qū)域煤體在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞,冒落;隨著煤體冒落的不斷發(fā)展演化,拱圈及周圍煤體內(nèi)的最大主應(yīng)力不斷減小,但拱頂處減小較慢,而兩側(cè)減小較快,見圖6(b)和圖6(c),直至拱圈內(nèi)拉應(yīng)力消失殆盡時(shí),頂煤停止冒落,見圖6(d);而第三主應(yīng)力則逐漸增加,頂板側(cè)拱圈處比底板側(cè)無論從增加數(shù)量還是范圍都要明顯,表明靠近底板側(cè)煤體較為穩(wěn)定,而頂板側(cè)則有可能發(fā)生壓剪復(fù)合破壞。

圖5 不同冒落狀態(tài)時(shí)最小主應(yīng)力對比

圖6 不同冒落狀態(tài)時(shí)主應(yīng)力矢量對比

2.3 頂煤體內(nèi)主應(yīng)力演化規(guī)律

為了進(jìn)一步研究冒落過程中頂煤體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)變化規(guī)律,在煤層頂、底板各選取5條平行于頂?shù)装宓臏y線,即圖3中所標(biāo)示的頂板側(cè)R1、R5、R7、R9、R11測線,底板側(cè)F1、F5、F7、F9、F11測線,每條測線上含有20個(gè)節(jié)點(diǎn),標(biāo)號(hào)為1～19。通過對頂?shù)装?0條測線上最大主應(yīng)力分析,研究冒落過程中應(yīng)力變化規(guī)律,明晰頂煤體內(nèi)應(yīng)力的發(fā)展演化以及底板三角煤的形成機(jī)理。圖7為頂、底板兩側(cè)不同冒落狀態(tài)時(shí)R1、R5、R11, F1、F5、F11測線最大主應(yīng)力變化對比圖,圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示頂煤的4種冒落狀態(tài)。

圖7 不同冒落狀態(tài)時(shí)測線最大主應(yīng)力變化對比

圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)為靠近頂板一側(cè)巖體內(nèi)不同冒落狀態(tài)下R1、R5、R11測線上主應(yīng)力變化對比圖。測線R1每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的最大主應(yīng)力隨著冒落高度的增加其曲線變化差異不大,測線R5和R11曲線變化較顯著。

從頂板測線R1、R5、R11變化規(guī)律看,R1測線4條曲線(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為4種冒落狀態(tài))的最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)增大而呈現(xiàn)下降趨勢,說明最大主應(yīng)力主要集中在模型左上方,越靠近采煤工作面最大主應(yīng)力越小。R5測線位于采煤工作面老頂板內(nèi),其最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)增大先出現(xiàn)增高而后逐漸降低的趨勢,特別是在1～4節(jié)點(diǎn)區(qū)間最大主應(yīng)力值為負(fù)值,這表明在靠近5節(jié)點(diǎn)頂部存在拉應(yīng)力破壞區(qū),而在5～7節(jié)點(diǎn)區(qū)間存在曲線的拐點(diǎn),該區(qū)間已形成老頂板冒落拱,曲線降低區(qū)是因靠近采煤工作面附近的煤體破碎引起的;R11測線曲線變化規(guī)律與R5測線類似,即最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)號(hào)增加先呈現(xiàn)增大而后降低的趨勢,特別是在1～8節(jié)點(diǎn)區(qū)間,最大主應(yīng)力以拉壓力為主,該區(qū)間內(nèi)的巖體為拉應(yīng)力破壞區(qū),曲線拐點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)12～14區(qū)間,該區(qū)間為直接頂冒落拱。

圖7(d)、圖7(e)和圖7(f)為靠近底板一側(cè)巖體內(nèi)不同冒落狀態(tài)下F1、F5、F11測線上不同主應(yīng)力變化情況對比圖。F1測線4條曲線(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為4種冒落狀態(tài))的最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)增大總體上表現(xiàn)出下降趨勢,說明最大主應(yīng)力主要集中在模型右上方,越靠近采煤工作面最大主應(yīng)力越小,甚至在18～20節(jié)點(diǎn)區(qū)間出現(xiàn)了拉應(yīng)力。F5測線位于采煤工作面老底板內(nèi),其最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)增大先遞增至最大值后快速下降,尤其14～17節(jié)點(diǎn)區(qū)間存在曲線的拐點(diǎn),該區(qū)間已形成老底板冒落拱;F11測線曲線變化規(guī)律總體表現(xiàn)為最大主應(yīng)力隨著節(jié)點(diǎn)號(hào)增加先增大而后緩慢降低,在1～7節(jié)點(diǎn)區(qū)間,最大主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,該區(qū)間內(nèi)的巖體處于拉應(yīng)力破壞范圍,曲線拐點(diǎn)在16～17節(jié)點(diǎn)區(qū)間,該區(qū)間位于直接底板冒落拱內(nèi)。

2.4 自穩(wěn)定成拱機(jī)理

為了進(jìn)一步研究頂煤成拱機(jī)理,研究了不同冒落形態(tài)時(shí)拱圈內(nèi)的最大、最小主應(yīng)力。不同冒落狀態(tài)時(shí)拱圈內(nèi)最大和最小主應(yīng)力見圖8。隨著冒落的不斷發(fā)展,拱圈內(nèi)的最大主應(yīng)力值在不斷減小,最大主應(yīng)力已降至370 Pa,與冒落開始時(shí)相比降幅達(dá)99%以上,表明拱圈內(nèi)已基本不承受拉應(yīng)力。

初次冒落時(shí)拱圈內(nèi)的最小主應(yīng)力值在6～8 m處仍然表現(xiàn)為拉應(yīng)力,再次冒落時(shí)依然存在,但數(shù)值減小,隨著冒落的進(jìn)一步發(fā)展,最小主應(yīng)力已完全表現(xiàn)為壓應(yīng)力,最大為1.2 MPa,比煤體的抗壓強(qiáng)度低,表明拱圈內(nèi)已沒有雙向受拉的單元體,即拱圈已達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述,頂煤體中形成穩(wěn)定冒落拱的力學(xué)機(jī)理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱圈內(nèi)僅有壓應(yīng)力時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平衡。那么,為了促進(jìn)頂煤冒落放出,只要打破這種平衡即可使頂煤破碎放出。如前所述,底板側(cè)頂煤的穩(wěn)定性發(fā)展較快,所以需預(yù)先對底板側(cè)煤體進(jìn)行強(qiáng)度弱化處理,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴(kuò)展,將既有助于拱圈以上煤體的破壞發(fā)展,又有利于減少底板側(cè)三角煤損失。

圖8 冒落狀態(tài)時(shí)拱圈內(nèi)主應(yīng)力

綜上所述,頂煤體中形成穩(wěn)定冒落拱的力學(xué)機(jī)理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱圈內(nèi)僅有壓應(yīng)力時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平衡。那么,為了促進(jìn)頂煤冒落放出,只要打破這種平衡即可使頂煤破碎放出。如前所述,底板側(cè)頂煤的穩(wěn)定性發(fā)展較快,所以需預(yù)先對底板側(cè)煤體進(jìn)行強(qiáng)度弱化處理,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴(kuò)展,將有助于拱圈以上煤體的破壞發(fā)展,

3 結(jié)語

(1)應(yīng)用數(shù)值模擬,建立頂煤最不利放出結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,通過模型的應(yīng)力解析,研究了頂煤沿傾向破壞演化的歷程。

(2)頂煤體中形成穩(wěn)定冒落拱的力學(xué)機(jī)理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱圈內(nèi)僅有壓應(yīng)力時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平衡。

(3)預(yù)先對底板側(cè)煤體進(jìn)行強(qiáng)度弱化處理,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴(kuò)展,不但有助于拱圈以上煤體的破壞發(fā)展,而且有利于減少底板側(cè)三角煤損失。

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Numerical simulation study on breaking process of top coal during fully mechanized caving process in steeply inclined seam

Liu Yang1,2,Fang Gang1,2
(1.Xi＇an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Xi＇an,Shaanxi 710077,China; 2.College of Geology&Environment,Xi＇an University of Science and Technology,Xi＇an,Shaanxi 710054,China)

The basic premise of fully mechanized caving mining in steeply inclined seam was the top coal＇s effective breaking,but research results on the mechanics structure of top coal along direction of working face were not much at present.The author studied the breaking evolution process of the top coal along dip direction through building structural mechanics model and stress analysis by using numerical simulation method.The results showed that the mechanical mechanism of stable rock cavity in top coal was due to the continuous development of caving process until there was only pressure stress in the rock cavity when the rock cavity reached stable.Weakening the coal on the floor side in advance could make the form of rock cavity in top coal change from full arch to half arch,which contributed to the breaking development of coal above the cavity and helped to reduce the loss of triangle coal on the floor side.

steeply inclined seam,fully mechanized caving mining,top coal breaking,mechanical structure,numerical simulation

TD823.213

A

劉洋(1978－),男,江蘇鹽城人,博士,副研究員,主要從事礦井水害防治方面的工程、技術(shù)和科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014JM2－5064),十二五國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC10B03)

劉洋,方剛.急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數(shù)值模擬研究.[J].中國煤炭,2017,43(1):50－54,59. Liu Yang,Fang Gang.Numerical simulation study on breaking process of top coal during fully mechanized caving process in steeply inclined seam[J].China Coal,2017,43(1):50－54,59.