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1、急倾斜煤层工作面矿压显现规律数值模拟研究I摘要：本文主要利用数值模拟软件展开研究，目的是建立急倾斜工作面数值模型，在此基础上研究分析在急倾斜煤层开采工作过程中存在的特征。通过数值模拟,可以对比出不同倾角煤层和煤层工作面之间的联系，根据工作面推进长度之间的差异，保证倾斜采面在整体推进过程中，可以分析出相应的采场的应力分布特征和范围。可以发现随着煤层倾角在不断扩大，倾向煤柱内应力也在不断减小，围岩破坏范围形状发生转变。同时在推进距离的增加过程中，工作面采空区面积逐渐扩大，垂直应力分布等值线也存在某种非对称特征。关键词：急倾斜煤层；矿压显现；数值模拟；围岩应力；动态应力拱；采动应力Studyonnu
2、mericalSimulationofMinepressurebehaviorinfaceofsteepinclinedCoalseamAbstract：Inthispaper,numericalsimulationsoftwareismainlyusedtocarryouttheresearch.Thepurposeistoestablishthenumericalmodelofsteepinclinedworkingface,andonthisbasis,tostudyandanalyzethecharacteristicsofsteepinclinedcoalseamminingproc
3、ess.Throughnumericalsimulation,therelationshipbetweendifferentinclinedseamsandcoalseamworkingfacecanbecompared.Accordingtothedifferenceofadvancinglengthofworkingface,thestressdistributioncharacteristicsandscopeofinclinedminingfacecanbeanalyzedinthewholeadvancingprocess.Itcanbefoundthatwiththeincreas
4、eofcoalseamdip,thestressininclinedcoalpillardecreases,andtheshapeofsurroundingrockfailurerangechanges.Atthesametime,withtheincreaseofadvancingdistance,thegoafareaofworkingfacegraduallyenlarges,andtheisolineofverticalstressdistributionalsohassomeasymmetriccharacteristics.Keywords:Steeplyinclinedcoals
5、eam;rockpressurebehavior;numericalsimulation;surroundingrockstress;dynamicstressarch;miningstressO引言急倾斜煤层主要是指倾角大于45的煤层，这种煤层的存在和处理对研究人员提出了比较高的要求，要相对其实现高效机械化开采，就必须要加大研究力度。经研究发现，我国的急倾斜煤层的储量较大，急倾斜煤层总储量绝大部分都处于我国的北方。随着我国煤炭高强度的开采，储存条件较好的煤层储量大幅度减少，所以储量可观但开采难度较大的急倾斜煤层渐渐引起了人们的重视，我国目前西部矿区50%以上的矿井开采的便是急倾斜煤层，如主要
6、产煤省（区）贵州、四川、重庆、云南、新疆、甘肃、宁夏等地区我国学者对急倾斜煤层开采工作面的矿山压力显现规律做了大量的研究，得出了急倾斜工作面覆岩运动主要呈现的特征大致为A川：急倾斜工作面的倾斜方向是不固定的，其采动应力主要呈现非对称性；当煤层倾角较大时，工作面上部的顶板上的碎石就会滚落下来，逐渐在沿采空区倾斜方向堆积;急倾斜工作面顶板的强度和压力系数都比较大，而工作面下部的对应数值较小。乔元栋利用UDEC数值模拟软件将主应力轨迹线连接形成应力卸压拱，卸压拱拱高和拱角均随工作面推进呈增大趋势，其形状随工作面推进由对称拱一非对称拱一平顶拱转变，卸压拱形态反映出覆岩不同岩层间的应力传递关系，与覆岩的
7、离层位置密切相关杨帆则认为，急倾斜煤层岩层主要是呈现出“厂”型移动拱结构模式，并且建立了“厂”型移动拱上位岩层下沉的计算公式W；吴绍倩指出，冒肝的沿底板下滑充填限制了顶板的挠曲变形和下部顶板的运动，并指出上、中、下部岩块运动条件不同是造成沿倾向来压显现不同的主要原因；应用弹性基础墙的相关假说被提出，急倾斜煤层顶板断裂之后，会形成不对称的平衡结构；相关专家建立了相对应的急倾斜煤层开采的结构的力学模型，同时，对于“跨层拱”结构的滑落失稳、结构失稳及其对工作面矿山压力显现的影响都进行了分析吐叫虽然国内外学者对急倾斜煤层开采过程中顶板破坏规律等问题取得了一定的研究成果，但由于急倾斜煤层的特殊性，还需在
8、前人的理论基础上进一步研究。1采动应力分布的规律本文的急倾斜煤层工作面主要是围绕推进型进行分析，因为急倾斜煤层长壁的具体工作面主要是沿走向分布，工作人员也是沿着采动应力分布进行探究，此时就存在着集中区、减压区等差别较大的区域。沿倾斜方向采集的优势是由于采场的覆岩所受的重力可以被具体划分，再加上倾角较大，所以物体水平的分力明显较大；此外，煤层的倾角大会让工作面上部的碎石向下滚落，填充了采空区，有利于下部工作面的支撑，但是相对应的上部工作面顶板则是悬空，因此这一状况就会使得采场的覆岩沿倾斜方向的非对称性受力特点（图1T）,从而引起采动覆岩离层与垮落呈现出非对称性的特征（图1-2）,如此一来，往往会
9、给工作面支架的工作阻力的确定、采场围岩控制、设备稳定控制造成困难。深入了解和分析覆岩的受力分布会与采场覆岩结构特征和应用规律联系紧密，要想保证急倾斜煤层工作面的安全开性，就必须要重视对覆岩的运动规律展开探究。图3-1急倾斜煤层开采围岩应力重新分布示意图I直接顶垮落带；Il顶板中的卸压拱；Ill支承压力区；IV回风巷附近的盆地的下沉区；V底板中的卸压区图3-2急倾斜工作面采场覆岩非对称垮落特征2数值模拟2.1 计算模型的建立深入分析和了解急倾斜煤层工作面极为关键，在采动影响下，可以发现应力分布规律主要作为是分析覆岩的形变的前提。同时，再加上考虑到现场的实测可以发现在具体的采动影响范围内，采空区的
10、岩石的分布规律是比较难的，此时利用数值模拟研究具有较强的优越性。由此可见，只有建立起完善的急倾斜煤层的模型，深入分析模型边界效应，扩宽采场空间，才可以保证计算结果的准确性。在模型的底部施力，可以发现模型的各个面都会进行位移，首先模型距离地表的实际距离是500m,此时在上部施加的岩石力为13.75MPa。研究人员主要采用有限差分计算的方法，建立起完善的三维数值计算模型，在其内部组成基本单元。其中模型的走向为为200m、厚度为IOom和高为120m,其工作面长度到达40mo图27数值计算模型2.2 相关物理力学参数岩性密度Kgm3厚度/m弹性模 量 /GPa泊松比内 聚力 /MPa内摩擦角/抗拉强
11、度/MPa中砾岩150020380.152.5501.17泥岩2400IO220.221.5311.7918#煤14005IO0301.0251.00细砂岩252015360.413.0423.1717#煤14004IO0.301.0251.粉砂岩26106380.182.0373.1716#煤14005100.031.0251.00细砂岩25204360.413.0423.17泥岩242220.221.5311.7915#煤14003100.301.0251.00泥岩2400IO220.221.5311.79粉砂岩261020380.182.0373.17细砂岩252020360.413.0
12、423.17表1煤岩层的物理力学参数急倾斜煤层工作面的工作规律主要建立在开采16层煤层，工作面布置于煤层之内，在此基础上进行分析。2.3 数值模拟结果1 .3.1工作面推进长度对覆岩应力分布的影响规律(a)推进IOm(c)推进80m(b)推进40m(d)推进 120m图2-2不同工作面长度时覆岩应力分布特征由图2-2可以看出：当工作面推进至Iom时，由于工作面推进过程中采动影响相对较小，因而下端头应力峰值均值为22MPa左右；当工作面的长度进行推进到40m时，受到采动影响的采空区上下两端头的集中程度比较大，此时采空区的岩石变形跌落比工作面处严重，因此工作面下端头应力峰值为26Mpa,采空区中部
13、峰值为15MPa；当工作面推进到80m时，采空区的上下两端头的应力集中也在不断提高，程度继续变大，此时最大压强为30MPao采空区所承接的跌落的岩石并不稳固；当工作面继续推进的时候，应力集中程度在不断加大，此时压强最大值为34Mpa,随着推进距离在不断提高，可以得出的结论是工作面采空区的应力集中的程度和面积也在不断提高，端头处的应力集中密集，且模型内的垂直应力分布等值线呈现出极为明显的特征。此次的数值模拟实验中的模型随着工作面的推进，应力集中程度一直在发生变大，上下两端头最大应力峰值也在慢慢变大，说明覆岩移动尚未达到充分阶段，此时采空区垮落砰石还没有开始压实表现出应变硬化现象。2 .3.2煤层
14、倾角对覆岩垂直应力分布的影响规律(b)倾角为30(c)倾角为45(d)倾角为60图2-3不同倾角时采场覆岩垂直应力分布特征由图2-3可以看出：沿工作面倾向的模型受到应力分布规律的影响,在顶底板中，可以逐渐形成相对应的拱形应力区，在工作面的两端，可以逐渐形成应力的集中区。此时煤层倾角主要为0、30、45、60等数值，此时相对应的应力集中区受到的压强为5MPa、18MPa、22MPa、34MPa,可以看出，当煤层倾角较小的时候，采空区的应力集中峰值会逐渐减小，而此时顶底板应力的面积是比较大的；当煤层倾角较大的时候，应力集中区的峰值会显著提高。煤层倾角的不断增大，可以发现采空区的工作面中的上部区域掉
15、落的岩石较多，顶板应力释放区的范围和面积不断扩大，此时顶板应力分布拱形的等值线也在发生偏移。煤层倾角的增加会使得倾向应力集中区面积会逐渐变小，围岩破坏的形状也在发生形变。3结论(1)此次的急倾斜煤层工作面模拟实验证明了在急倾斜煤层采场围岩中有动态应力拱的存在，沿工作面的倾斜方向，动态应力拱存在着明显的非对称性特征。顶板应力拱外形的轮廓线在逐渐发生偏移，其煤层的倾斜方向也在发生偏移。此时底板的应力拱外形轮廓线随之发生偏移。由此可见，急倾斜煤层工作面的支柱所要承受的力是较大的，比如说顶板方向的力和地板下滑的力，此时就会让支柱稳定性得到降低。(2)随着工作面的推进，急倾斜煤层工作面的应力会在上下两端部形成不同程度的应力集中现象。工作面推进的长度与采空区的上下两端部的应力集中的程度就越大。此时工作面上部的填充程度不足，此时应力集中程度在不断加大。急倾斜煤层端面顶板破坏程度较严重，在开采过程中应加强其端面顶板的支护强度。(3)在急倾斜煤层工作面的作用规律研究的过程中，煤层倾角
