坚硬顶板无煤柱开采运动规律的模拟研究

坚硬顶板无煤柱开采运动规律的模拟研究

1顶板悬顶破坏巷道北京矿区木城固煤矿未开采部位的顶板硬度大，裂缝不发育，层厚大，完整性强。开采后，顶板很难脱落。当前的无人开采工作面采场顶板大面积长期悬顶，将使工作面前方煤体及巷道形成高应力区，坚硬顶板一旦运动，将对工作面和巷道造成冲击性的破坏。通过数值模拟研究坚硬顶板随其悬垮范围逐渐扩大的运动规律，对采场扩大到一定范围时有计划的实施强制放顶等防冲击措施，促使坚硬顶板从整体大范围冲击性运动向周期性分段运动转化，具有重要意义。23边界元方法的优越性应用于工程岩体模拟研究的数值模拟方法有多种，各具特点。有限元方法是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序，可模拟土、岩石等材料的力学行为，主要思想是将连续体离散化为一系列邻接单元，任意指定各单元的力学性态，特殊单元用以模拟岩体结构的不连续性；边界元方法是把问题的微分方程转化为边界积分方程，再求未知函数的近似解，其优越性是仅离散化区域边界、计算精度高、程序简单，但难以适应变系数、非线性及与时间相关的问题；离散单元法充分考虑结构不连续性，可分析变形连续和不连续的多个物体间相互作用的问题、断裂问题、大位移和大转动问题，可处理范围广泛的材料本构关系、相互作用准则和任意形状，可模拟应力传播、振动和阻尼动力效应显著等问题。煤层的开采致使采空区顶板岩体系统包含了复杂的节理裂隙、变形块体、富含阻尼，在形态和结构上均呈现出强烈的不连续性，其演化过程是几何或材料非线性的结果，适于选用离散单元法进行模拟研究。故本课题的理论研究手段是采用美国ITASCA公司的商用软件三维离散元3DEC(threeDimensionDistinctElementCode)。3煤层厚度目标工作面位于+450水平西三采区二石门三槽，煤层厚度为4m、倾角14º。工作面标高+462至+520m，地面标高+1102m，工作面顶底板岩性见表1所示。4数值模型计算方法4.1几何尺寸模型描述建立4个数值模型，分别对采场由倾斜长40m（走向长100m）逐渐扩大到倾斜长160m进行模拟研究。三维数值模型示意图如图1所示。数值模型1：几何尺寸(m)X×Y×Z=238.2×100×200；开挖倾斜×采高×走向=40×4×100。数值模型2：几何尺寸(m)X×Y×Z=238.2×100×200；开挖倾斜×采高×走向=80×4×100。数值模型3：几何尺寸(m)X×Y×Z=238.2×100×200；开挖倾斜×采高×走向=120×4×100。数值模型4：几何尺寸(m)X×Y×Z=238.2×100×200；开挖倾斜×采高×走向=160×4×100。采场由倾斜长40m（走向长100m）逐渐扩大到倾斜长160m，开挖4阶段示意图如图2所示，图示为图1之A-A剖面图。4.2模型模拟边界4个数值模型的边界条件相同，分别具有6个边界：边界X=0和X=238.2m限制X方向的位移；边界Y=0为固定边界；边界Y=100m为载荷边界，模拟532m深度载荷；边界Z=0和Z=200m限制Z方向的位移。4.3数值模拟材料的特性模拟岩性依次为（由上而下）：砂岩、细砂岩、粉砂岩、炭质粉砂岩、煤、粉砂岩、细砂岩、砂岩。对应模拟材料的物理力学参数见表2。5采空区顶板冲击性图3为模型1到模型4A-A剖面（图1）上的垂直应力分布区域图。可见，在开采的第1阶段，由于开采范围较小，采空区坚硬顶板悬而未落，整个采场均处于低应力区。受倾角影响，低应力区整体上移了约20m，采场四周形成应力集中，应力集中系数约1.5。表明开采第1阶段的采场顶板状况是安全的，但为下一区段的无煤柱开采留下了隐患。开采的第2阶段结束，开采范围已达到8000m2，采空区坚硬顶板垮落致使采场中央区域应力集中，整个采场的低应力区被一分为二。同样由于倾角影响，低应力区整体上移了约17m，采场四周形成的应力集中区域明显缩小。表明坚硬顶板的垮落具备显著的冲击性，将使工作面前方煤体及巷道既已形成的高应力区骤然释放，对工作面和巷道造成冲击性的破坏。但顶板的垮落在一定程度上降低了四周煤体的压力，为下一步的安全生产创造了有利条件。到开采的第3阶段和第4阶段，开采范围继续扩展到12000m2和16000m2，采场低应力区逐步扩大，且坚硬顶板呈现总体周期性垮落的特点，局部触矸位置为应力局部集中区，对安全生产不再构成巨大威胁。6面开采区段无人开采通过3DEC数值模拟研究得到的坚硬顶板随其悬垮范围逐渐扩大的运动规律，得到了现场验证。北京矿务局木城涧煤矿的两相邻无人工作面开采区段，于2003年9月发生了坚硬顶板初次冲击性垮落，当时两区段的采场面积约为8000m2，所幸的是无人开采工作面无人，未造成恶性冲击事故。理论研究成果对采