急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數值模擬研究

劉 洋方 剛

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077; 2.西安科技大學地質與環境學院,陜西省西安市,710054)

急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數值模擬研究

劉 洋1,2方 剛1,2

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西省西安市,710077; 2.西安科技大學地質與環境學院,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結構研究成果不多。應用數值模擬方法,建立結構力學模型,通過應力解析,研究了頂煤沿傾向破壞的演化歷程。研究發現,頂煤體中形成穩定冒落拱的力學機理是由于隨著冒落的不斷發展,直至拱圈內僅有壓應力時達到穩定平衡。采用預先對底板側煤體進行強度弱化處理,使頂煤冒落拱形態由全拱形向半拱形擴展,將有助于拱圈以上煤體的破壞發展,有利于減少底板側三角煤損失。

急傾斜煤層 綜放開采 頂煤破壞 力學結構 數值模擬

從開展放頂煤技術研究開始,就十分重視頂煤破壞過程的研究,因為頂煤的破壞是頂煤放出的前提。只有在支架后方、放煤窗口上方的頂煤完全轉化為散體介質,才能從放煤窗口流動放出。根據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果。這些成果豐富了放頂煤開采理論,有力地推動了放頂煤開采技術持續不斷地向前發展。

但是,以往都是針對沿著工作面推進方向頂煤破壞發展過程進行的研究,而頂煤體的動態破壞演化不僅與推進方向有關,而且與沿著工作面方向的力學結構形式有關,針對急傾斜煤層綜采放頂煤而言則更加重要,但至今相關領域的研究成果較少,因此有必要進行進一步的深入研究。

1 頂煤破壞研究現狀

近年來,國內外許多單位及學者對綜放開采條件下,頂煤破壞和運動過程進行了現場觀測,并對頂煤的破壞進行分區。吳健等認為頂煤移動過程分為兩個階段;張頂立、靳鐘銘均將頂煤的破壞分為4個區,為頂煤結構劃分奠定了基礎;石平五、黃慶享等將急傾斜特厚煤層頂煤破壞運動分為兩個階段;史元偉將頂煤沿控頂區方向分為兩個區;閆少宏提出了兩種頂煤分區的判斷方法;馮國才等將頂煤的移動劃分為三個階段。大量的研究認為頂煤的變形破壞是一個漸變過程,可將頂煤這一物理力學性質的轉化過程分為幾個特征區域。頂煤的順利放出是放頂煤開采成功的關鍵,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點和歸宿,也是進一步研究松散頂煤落放規律的基礎。

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結構進行數值模擬分析,深入研究其破壞及發展過程。

2 數值模擬研究

頂煤體的放出是一個動態的過程,其間頂煤體的形狀及應力狀態也隨之不斷變化。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生了離層,冒落區內破碎松散的煤體可通過放煤窗口放出,冒落區上部的頂煤由于形成拱形的自穩結構,將會無法放出,急傾斜煤層頂煤放出后形成的拱形自穩結構見圖1。據此,可以構建成如圖2所示的頂煤冒落后的力學模型,此模型的求解極為復雜,故而采用數值模擬的方法,研究頂煤放出過程中,煤體內應力狀態的變化過程,以期能探尋冒落過程中頂煤體成拱機理以及頂煤的破壞發展歷程。

圖1 急傾斜煤層頂煤放出后形成的拱形自穩結構

圖2 急傾斜煤層放頂后簡化的力學模型

本次采用ABAQUS有限元分析程序, ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一,具有先進的建模、分析、監測和控制以及結果評估的完整界面,軟件可進行線性靜力學、動力學、熱傳導、非線性和瞬態分析以及多體動力學分析。

依據某煤礦工作面開采參數,按照頂煤最不利放出力學模型,建立計算模型。研究區域選取為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平面結構CPS4R單元,該單元由4節點組成,在單元節點上有3個自由度,即分別沿著3個坐標軸方向。此單元可以進行塑性、蠕變、應力硬化、大變形以及大應變分析。模型共劃分551個單元,約束及網格剖分如圖3所示。

圖3 計算模型及網格剖分圖

數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,分析研究煤體內應力狀態的變化。

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狀態。

第二種(Ⅱ):下部拉破壞區內頂煤在拉應力的作用下發生破壞冒落的情況。

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

第四種(Ⅳ):破壞范圍不斷增加,直至最終形成穩定的冒落拱。

2.1 最大主應力分布特征及演化規律

4種冒落狀態時最大主應力對比見圖4。

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

(2)頂煤上部受壓區域,隨著下部頂煤的破壞發展,冒落范圍的不斷增加,壓應力區域在不斷減小,數值也隨之降低,但變化不大,說明在冒落的過程中,壓應力在不斷向周圍煤體中發生轉移,轉移的趨勢為首先是頂板側拱圈,進而發展至底板側拱圈,見圖4(b)。

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

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

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

圖4 不同冒落狀態時最大主應力對比

2.2 最小主應力分布特征及演化規律

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

不同冒落狀態時主應力矢量對比見圖6。圖中可以明顯看出在冒落過程中,最大主應力和第三主應力的變化、轉移直至最終達到新的平衡的過程。

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

圖5 不同冒落狀態時最小主應力對比

圖6 不同冒落狀態時主應力矢量對比

2.3 頂煤體內主應力演化規律

為了進一步研究冒落過程中頂煤體內部的應力狀態變化規律,在煤層頂、底板各選取5條平行于頂底板的測線,即圖3中所標示的頂板側R1、R5、R7、R9、R11測線,底板側F1、F5、F7、F9、F11測線,每條測線上含有20個節點,標號為1～19。通過對頂底板10條測線上最大主應力分析,研究冒落過程中應力變化規律,明晰頂煤體內應力的發展演化以及底板三角煤的形成機理。圖7為頂、底板兩側不同冒落狀態時R1、R5、R11, F1、F5、F11測線最大主應力變化對比圖,圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別表示頂煤的4種冒落狀態。

圖7 不同冒落狀態時測線最大主應力變化對比

圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)為靠近頂板一側巖體內不同冒落狀態下R1、R5、R11測線上主應力變化對比圖。測線R1每個節點對應的最大主應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變化規律看,R1測線4條曲線(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為4種冒落狀態)的最大主應力隨著節點增大而呈現下降趨勢,說明最大主應力主要集中在模型左上方,越靠近采煤工作面最大主應力越小。R5測線位于采煤工作面老頂板內,其最大主應力隨著節點增大先出現增高而后逐漸降低的趨勢,特別是在1～4節點區間最大主應力值為負值,這表明在靠近5節點頂部存在拉應力破壞區,而在5～7節點區間存在曲線的拐點,該區間已形成老頂板冒落拱,曲線降低區是因靠近采煤工作面附近的煤體破碎引起的;R11測線曲線變化規律與R5測線類似,即最大主應力隨著節點號增加先呈現增大而后降低的趨勢,特別是在1～8節點區間,最大主應力以拉壓力為主,該區間內的巖體為拉應力破壞區,曲線拐點在節點12～14區間,該區間為直接頂冒落拱。

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

2.4 自穩定成拱機理

為了進一步研究頂煤成拱機理,研究了不同冒落形態時拱圈內的最大、最小主應力。不同冒落狀態時拱圈內最大和最小主應力見圖8。隨著冒落的不斷發展,拱圈內的最大主應力值在不斷減小,最大主應力已降至370 Pa,與冒落開始時相比降幅達99%以上,表明拱圈內已基本不承受拉應力。

初次冒落時拱圈內的最小主應力值在6～8 m處仍然表現為拉應力,再次冒落時依然存在,但數值減小,隨著冒落的進一步發展,最小主應力已完全表現為壓應力,最大為1.2 MPa,比煤體的抗壓強度低,表明拱圈內已沒有雙向受拉的單元體,即拱圈已達到平衡穩定狀態。綜上所述,頂煤體中形成穩定冒落拱的力學機理是由于隨著冒落的不斷發展,直至拱圈內僅有壓應力時達到穩定平衡。那么,為了促進頂煤冒落放出,只要打破這種平衡即可使頂煤破碎放出。如前所述,底板側頂煤的穩定性發展較快,所以需預先對底板側煤體進行強度弱化處理,使頂煤冒落拱形態由全拱形向半拱形擴展,將既有助于拱圈以上煤體的破壞發展,又有利于減少底板側三角煤損失。

圖8 冒落狀態時拱圈內主應力

綜上所述,頂煤體中形成穩定冒落拱的力學機理是由于隨著冒落的不斷發展,直至拱圈內僅有壓應力時達到穩定平衡。那么,為了促進頂煤冒落放出,只要打破這種平衡即可使頂煤破碎放出。如前所述,底板側頂煤的穩定性發展較快,所以需預先對底板側煤體進行強度弱化處理,使頂煤冒落拱形態由全拱形向半拱形擴展,將有助于拱圈以上煤體的破壞發展,

3 結語

(1)應用數值模擬,建立頂煤最不利放出結構力學模型,通過模型的應力解析,研究了頂煤沿傾向破壞演化的歷程。

(2)頂煤體中形成穩定冒落拱的力學機理是由于隨著冒落的不斷發展,直至拱圈內僅有壓應力時達到穩定平衡。

(3)預先對底板側煤體進行強度弱化處理,使頂煤冒落拱形態由全拱形向半拱形擴展,不但有助于拱圈以上煤體的破壞發展,而且有利于減少底板側三角煤損失。

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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、技術和科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

陜西省自然科學基礎研究項目(2014JM2－5064),十二五國家科技支撐計劃課題(2012BAC10B03)

劉洋,方剛.急傾斜煤層綜放開采頂煤破壞過程數值模擬研究.[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.