专题-综放沿空掘巷煤柱留设数值模拟研究.doc

1、 第17 页专题部分 摘要：为了防止煤柱冲击矿压的现象，提高回采率，采用UDEC3.1进行数值模拟，分析了沿空掘巷上区段工作面煤体内应力变化，以及小煤柱煤巷变形破坏规律，最终确定出合理的小煤柱宽度并应用于工程实践。关键字：综放 沿空掘巷 数值模拟 窄煤柱1引言中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，我国煤炭探明总储量在9000亿吨以上，居世界前列，已知含煤面积55万多平方千米，煤种齐全，煤层赋存条件多种多样，煤矿开采条件复杂。据统计表明，在我国一次能源生产和消费中，煤炭资源占75%，在未来的2050年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格局不会改变1。从20世纪50年代开始，国内外

2、展开了沿空掘巷的无煤柱护巷技术的试验研究，对无煤柱护巷的矿压显现规律及围岩控制进行了系统研究，取得了大量的成果，推动了沿空掘巷技术的发展。1.1沿空掘巷研究意义我国煤矿每年新掘巷道约1.3万km，其中受采动影响的煤巷约占80%2。沿空掘巷是在第一个工作面采空区岩层活动基本终止，回采引起的应力重新分布趋于稳定后，沿采空区边缘掘进回采巷道，巷道位于应力降低区，采用宽度较小的煤柱和合理的支护技术可以保证巷道在掘进及其掘进后围岩变形较小。沿空巷道只经历一次采动影响，其应力环境和维护条件由于沿空留巷，所以我国无煤柱护巷大部分采用沿空掘巷。综放沿空掘巷工作面煤层为厚煤层、采高大，受采空区侧向支承压力作用，

3、下区段煤体边缘形成的破碎区和塑性区的宽度大于薄及中厚煤层，因此，综放沿空掘巷一般处于塑性区及破碎取煤体中3。通过数值模拟对综合机械化放顶煤沿空掘巷研究，对提高煤炭回采率、井下作业人员安全及建设矿井高产高效矿井具有重要的意义。1.2 国内外研究现状国内外学者在沿空掘巷研究方面做了大量工作，主要体现在以下几个方面：合理煤柱留设的研究；综放沿空掘巷矿压显现规律的研究；沿空掘巷围岩控制与支护技术的研究。1.2.1国内沿空掘巷研究状况王卫军，侯朝炯，柏建彪等人根据砌体梁理论，老顶以给定变形方式作用十综放沿空巷道围岩，应用能量原理分析了巷道围岩的变形机理，建立了巷道顶煤的力学模型，运用变分法对老顶给定变形

4、下顶煤的变形进行了初步求解，并对顶煤下沉量与支护阻力、煤体弹性模量、巷道宽度的关系进行了探讨4。靖洪文，王猛，汪小东，张春宇等采用数值模拟方法，利用FLAC3D计算程序系统模拟了留设5m煤柱护巷时回采巷道围岩和小煤柱应力演化过程，对无支护、有支护情况下的巷道顶、底板及两帮的应力分布特征，巷道围岩位移特征和沿空煤巷围岩破坏区演化规律进行了对比分析。为保证综放沿空煤巷的稳定提供了理论与技术依据5。李学华，张农，侯朝炯用理论分析和数值计算方法研究了综采放顶煤面沿空巷道的围岩稳定性，分析了影响掘巷位置的几个因素老顶岩层垮落特征、直接顶和煤体变形特点及采空侧支承压力分布规律，提出了沿空巷道的合理位置。研

5、究成果应用于兴隆庄煤矿5318综采放顶煤面沿空巷道描杆支护，并取得了成功6。此外，李德海，李东升，宋长胜以弹塑性力学为基础，建立了条带设计弹性理论的复变函数模型，使用弹性理论的复变函数方法计算了条带开采时采空区周围的应力分布，进而推导出在特定的地质条件下，条带开采时所需留设的煤柱宽度的理论公式；并以弹塑性力学为基础，结合应力平衡微分方程和库仑准则求出了保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度及其理论公式，对极限平衡理论进行了修正。近年来国内外学者在应用有限元进行煤柱受力与屈服行为分析方面，也做了不少尝试，包括:考虑材料硬化建立了弹塑性模型；应用塑性增量理论采用了概化的Von Mises屈服准则;建立了

6、考虑煤层界面效应的本构模型；采用理想弹塑性模型提出了Coulomb-Mohr流动函数;考虑煤岩组成的复杂性和材料特性的变异性采用了基于“单兀材料弹性、单元变化随即”的唐氏模型及其RFPA软件等。1.2.1国外沿空掘巷研究现状Gaddy等人首次把实验室确定的煤岩试块强度应用十煤柱强度计算，提出了Hollad-Gaddy公式。Obert-Dwvall/Wang根据硬岩弹性力学理论提出了适用十煤柱高宽比为1/8的Obert-Dwvall/Wang公式。核区强度不等理论。格罗布拉尔把煤柱核区强度与实际应力联系在一起，从而确定核区内不同位置的强度，提出了用十长条煤柱的破坏包络面计算公式，但因其常数复杂，

7、降低了实用性。1.2.3 煤柱稳定性分析从国内外研究发展趋势总体来看，留设煤柱护巷的方式受各种条件限制，主要有两种趋势，一种为宽煤柱方式，目的是为了避开压力峰值，减少对巷道的破坏;另一种为窄煤柱或无煤柱留巷方式，两者在不同条件下都有比较广泛的应用，研究与发展水平也各具特色。国内外采用多种手段从不同角度研究应力分布和变形与破坏状态是分析煤柱稳定性的重要依据。国内外在这方面做过许多现场观测、试验研究和理论研究。谢和平等提出了煤柱的破坏失稳是典型的非线性过程；崔希民、缪协兴应用从属面积法分析原理，得出倾斜煤层条带煤柱应力表达式，认为剪应力对煤柱强度和稳定性有影响；高玮通过极限平衡法分析了煤层倾角对煤

8、柱稳定性的影响等。此外，非线性科学理论在矿业工程领域得到了越来越广泛的应用，如神经网络理论已经应用十岩体力学参数的预测、地表沉陷及其建筑物损害程度的预测等方面;突变理论是用来研究不连续现象的一门新兴非线性学科，在采矿工程等学科也得到广泛的应用。中国矿业大学侯朝炯教授提出用沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理指导综放沿空掘巷的实践，作为综放沿空掘巷锚杆支护成功的应用理论依据。湖南科技大学朱川曲根据围岩稳定性影响因素的隶属函数，建立了综放沿空掘巷围岩稳定性分类模型，为综放沿空掘巷支护方式、支护参数的合理选择及施工和管理提供了依据。西安科技大学张嘉凡、石平五根据郭家湾煤矿的实际情况，采用有限元仿真试验

9、模拟方法，对煤柱群及顶板稳定性进行弹塑性分析，提出了弹性核的消失是煤柱丧失稳定性的标志，并指出合理的煤柱留设对采场的围岩变形控制起决定性作用，不适当地多留煤柱，既降低了采出率，支撑着更大范围的上覆岩层悬不垮，增加了大面积垮落灾变的可能性。图1-1为沿空掘巷力学模图1-1为沿空掘巷力学模型1.2.4 综放沿空掘巷矿压显现规律研究 国内外学者对沿空掘巷矿压显现规律的研究，主要表现在:研究了采空区侧向支撑压力分布规律，指出留窄煤柱沿空掘巷巷道位置处十侧向支承压力峰值附近，因此，留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形，在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度；综放工作面沿空掘巷，由十煤层采放厚度大，冒落

10、计石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并在采空区边缘发生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移，在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区，煤柱承载作用较小，同时在煤体边缘一定范围内形成应力降低区，为沿空掘巷创造了有利条件；留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以及隔离采空区是有利的。1.2.5 综放沿空掘巷支护状况研究 综放工作面上、下两巷的支护形式和维护状况直接关系到综放工作面产量、效率、效益、采出率的提高和安全状况的改善。我国过去两巷长期使用金属支架，由于金属支架属于被动支护，支护阻力一般偏低，造成巷道维护困难，安全状况恶

11、化，特别是回采工作面上、下端头和超前支护复杂，严重影响了回采工作面的推进速度，影响了综放生产能力的发挥。近期，我国高强度、超高强度树脂锚固锚杆支护系统和小孔径锚索的试验成功，开创了综放实体煤巷道支护技术的新局面。国内高地应力巷道一般采用二次支护理论，即巷道支护分两次进行，一次支护在保持巷道稳定的前提下，允许围岩有一定的变形以释放压力;隔一定的时间后实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是，这种理论目前已遇到了极大的挑战，在深部动压影响区、构造应力带、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出现变形破坏等问题，甚至需要三次、四次支护，巷道周而复始地发生破坏，围岩变形长期得不到有效控制。1.2.6综放沿空

12、掘巷工程实践研究1）辽宁工程技术大学的张宝安，黄明，梁宏友等人通过对窄煤柱护巷机理的数值模拟分析以沈阳煤业集团红阳矿的“孤岛”工作面为例，基于岩体的渐近损伤模型，应用RFPA程序计算分析了不同尺寸护巷煤柱的变形场和应力场。着重探讨了窄煤柱沿空掘巷的护巷机理。研究结果表明了护巷煤柱宽度对回采巷道的围岩变形有很大的影响，当煤柱宽度为3-5m时巷道最容易维护7。2)中国矿业大学柏建彪，侯朝炯利用数值计算分析，研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，提出了(1)采用高强度锚杆支护的窄煤柱具有较大的支撑作用，是沿空掘巷围岩的一个重要承载结构，窄煤柱失稳

13、必然导致巷道难以维护，窄煤柱与顶板控制同等重要。(2)合理的窄煤柱宽度应能保证巷道变形量较小、使煤柱中部能存在位移量较小、目_稳定的部分。合理的窄煤柱宽度为:软煤4-5 m，中硬煤3-4 m。(3)提高锚杆支护强度对窄煤柱稳定的作用随煤层力学性质及煤柱宽度而变化。提高锚杆支护强度对软煤中宽度为4 -7 m煤柱及中硬煤中宽度为4m煤柱的稳定性作用较大，对软煤中3m宽度以下煤柱及中硬煤中其他宽度煤柱的稳定性作用较小；提高锚杆支护强度对软煤煤柱稳定性的作用显著大于对中硬煤煤柱稳定性的作用。3）杨同敏等人通过对潞安矿务局王庄矿4320综放面留5m窄煤柱的锚网支护实践分析认为:掘进影响期巷道围岩变形量小

14、，累计变形量顶底板38.06mm，两帮为32.46mm，最大变形速度顶底为5.3mm/d，两帮为1.61 mm/d掘进50m后趋于稳定8。窄煤柱综放开采技术在我国经过二十多年的发展，取得了一定的成功，目前的研究多集中在采场上覆岩(煤)层的活动规律，如关键层理论和砌体梁理论的提出和优化，而对综放开采巷道上方煤层的支承压力分布规律及矿压显现规律等的系统研究较少，理论还不够成熟。1.3本论文的研究内容本课题主要以综放工作面沿空掘巷窄煤柱为研究对象，针对窄煤柱的受力变形规律计算机数值模拟分析从而（1）分析沿空掘巷的围岩应力分布演化规律及巷道围岩变形规律；（2）通过模拟不同煤柱宽度时，巷道围岩应力分布规

15、律和巷道变形规律，对模拟结果进行分析，确定出最合理的煤柱宽度，以提高资源采出率；（3）根据所确定的合理煤柱宽度对不同支护方式和参数进行模拟分析，提出合理的支护方案。既提高煤炭的采出率，又节省矿井支护经济消耗。2不同宽度煤柱下巷道围岩变形与破坏数值模拟2.1数值模拟软件简介UDEC (Universal Distinct Element Code)是一种基于非连续体模拟的离散单元法二维数值计算程序。它主要模拟静载或动载条件下非连续介质(如节理块体)的力学行为特征，非连续介质是通过离散块体的组合来反映的，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现

16、为可变形体。UDEC3.10提供了适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动的需要，是目前模拟岩层破断后移动过程较为理想的数值模拟软件。UDEC离散单元法数值计算工具主要应用于地下岩体采动过程中岩体节理、断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评价。离散元法的基本原理和特点：离散元法以受节理裂隙切割或分立的块体为出发点，将研究区域划分为单元。单元因受节理等不连续面控制，在运动过程中，单元节点之间可以分离， 即一个单元与相邻节点可以分开。单元之间的相互作用力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全按该单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小，按牛顿运动定律求出。在UDEC中，