巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟
大采高工作面覆岩移动规律数值模拟
大采高工作面覆岩移动规律数值模拟杨盼杰;张双全;朱鹏;镐振;杨胜利【摘要】针对赵固二矿11050工作面采高6 m,工作面回采过程中矿压显现明显的具体情况,采用数值模拟方法,研究了薄基岩大采高工作面的覆岩移动规律.结果表明11050工作面直接顶及老顶初次冒落步距分别为17 m和35 m,老顶周期冒落步距为11 ～16 m,工作面推进到60 m时,岩层移动角在开切眼处为62°左右.该研究成果为保障11050工作面安全高效生产以及为类似条件下覆岩移动规律研究提供了依据.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】3页(P21-22,26)【关键词】数值模拟;大采高;覆岩移动【作者】杨盼杰;张双全;朱鹏;镐振;杨胜利【作者单位】河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿;河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿;河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿;河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院【正文语种】中文我国东部地区经济发达，能源需求量大，煤炭资源开采时间长，冲积层较薄的煤炭资源已开发殆尽，开发400～700 m特厚松散层所覆盖的煤炭资源能够有效缓解煤炭供应紧张的局面。
有学者采用煤层开采后采空区上方岩层“三带”的形成与基岩厚度的关系来进行定义[1]，大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律有其特殊性[2-4]。
覆岩移动规律的研究多采用相似模拟试验、矿压数据实测分析及数值模拟等方法[5]。
中国矿业大学郝海金结合寺河矿大采高综采面现场观测和平面、立体相似模拟，结果表明，大采高综采面前方支承压力影响范围及峰值点位置随着采高的加大逐渐向工作面煤壁前移，大采高支架工作阻力远远大于分层开采和放顶煤工作面支架的工作阻力值[6]。
安徽理工大学王贵虎采用现场实测的方法，研究了张集矿倾斜长壁综采面一次采全高过程中的矿压显现规律，结果表明大采高综采老顶来压较普通综采更为剧烈，局部冒顶和煤壁片帮现象更为严重，支架冲击载荷更为突出，支承压力影响范围更广，工作面周期来压明显，来压强度增加[7]。
厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究
厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究一、本文概述《厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究》是一篇专注于深入探索厚松散层下开采活动对覆岩及地表移动影响规律的学术论文。
本文旨在通过系统的理论分析和实证研究，揭示厚松散层地质条件下开采作业对覆岩稳定性和地表移动的影响机制，为相关领域的工程实践提供理论支撑和科学依据。
文章首先介绍了厚松散层地质条件的特性，包括其形成原因、分布规律以及对地下开采活动的潜在影响。
在此基础上，文章综述了国内外在厚松散层下开采覆岩及地表移动规律方面的研究成果和进展，指出了当前研究中存在的问题和不足。
接下来，文章通过理论分析和数值模拟方法，深入探讨了厚松散层下开采过程中覆岩的应力分布、变形特征以及破坏机制。
结合现场监测数据和实验室研究结果，对地表移动规律进行了定量分析和定性描述，揭示了地表移动与开采活动之间的内在联系。
文章提出了针对性的工程实践建议和技术措施，旨在提高厚松散层下开采作业的安全性和效率，减少覆岩失稳和地表移动对环境和人类活动的影响。
本文的研究成果对于推动相关领域的技术进步和工程实践具有重要的理论价值和现实意义。
二、厚松散层地质特性分析厚松散层是指在地表以下，由风化、侵蚀、搬运和沉积作用形成的一系列未固结的或弱固结的松散堆积物。
这些堆积物通常包括砂土、粘土、砾石等，其形成过程复杂，且地质特性各异。
在煤炭等矿产资源的开采过程中，厚松散层的存在对覆岩及地表的移动规律产生显著影响，因此对其进行详细的地质特性分析至关重要。
厚松散层的厚度和分布范围是影响开采过程中覆岩移动的关键因素。
厚松散层的厚度越大，其对上覆岩层的支撑能力越弱，开采时引起的覆岩移动范围也越大。
厚松散层的分布范围也会影响地表的移动规律，如果厚松散层分布广泛，那么开采引起的地表移动可能更加显著。
厚松散层的物质组成和物理性质也是影响其地质特性的重要因素。
不同的物质组成和物理性质会导致厚松散层在开采过程中的不同响应。
例如，砂土和粘土的物理性质差异较大，前者颗粒较大，透水性较好，后者颗粒较小，透水性较差。
深井开采巨厚砾岩离层演化规律数值模拟研究
岩体既不是 理想 的连续介 质 ， 也不是理想 的完全 离散 化 了的非 连 续 介 质 ， 岩 体 往 往 为 众 多 的节 理 或 结 构 面所切 割 ， 只能用 离散单 元法 。
表 ２ 煤层及顶 、 底板 岩层 的 力 学 参 数
岩层 厚度 黏 聚力 抗拉强度 内摩擦 角 剪切模量 体积模量 名称 ／ ｍ ／ ＭＰ ａ ／ ＭＰ ａ ／ Ｏ ／ １ Ｏ ９ Ｐ ａ ／ １ Ｏ ９ Ｐ ａ
度， 导致 不 同岩 层 间形成 离 层 ， 而平 衡 拱 会将 拱 上 承 受 的上覆 岩层 的重量传 递到 采空 区边 界 。
中， 在采空区围岩体内， 极 易形 成高应 力集 中区 ， 经扰 动， 易诱发冲击地压。某矿地质条件特殊 ， 第三系上部 岩层 为厚 度 ４ ０ ０～８ ０ ０ ｍ 的 巨厚 砾 岩 ， 离 层 发 育 及 应 力 转移 、 演化 规律 呈 现新 的规 律 ， 研究这一规律 ， 对 于 指 导该 矿离层 注浆 及 防冲减灾 具有 积极 意义 。
覆岩 离层 是 一 个 动 态 发 展 过 程 ， 由于 地 层 结 构 的 复杂 性 、 开采方 法与 开采 规模 的不 同 ， 覆岩 离层 的发 育 表现 出不 同的规 律 ， 掌 握 离 层 的位 置 、 规模 ， 可 以 进 一 步提高注 浆减沉效 果＿ ｌ Ｊ 。而 且在离 层孕 育 的过 程
表 １ 地质概况表
地质 年代 岩石名称
Ｑ 表 土 层 无 芯
图 ２ 数 值 模 型
３数值 模型 的建 立与参数 的选 取
岩性描述
厚度（ ｍ）
Ｏ～８
Ｒ Ｒ
砾岩层 砾岩层成分为奥灰， 较坚硬 红层 砖红色 、 含砾粉砂 岩， 纹松散
不同采高下覆岩移动规律的数值模拟分析
不同采高下覆岩移动规律的数值模拟分析岳明;王创业【摘要】采用FLAC3D数值模拟软件就不同采高下覆岩移动的规律进行了分析,为神东矿区安全采煤及其地面保护提供理论依据.研究结果表明:在相同开采条件下,上覆岩层的下沉量有随采高增加而增加、随离煤层距离增加而减弱的趋势.模拟结果中,距离煤层较近的覆岩位移突然增大,出现切落式下沉现象,可能为关键层破断引起;而距离煤层较远的覆岩并未出现此种现象,只为缓慢下沉,可能覆岩未破断,仍然起到支撑作用.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P4-6)【关键词】采高;覆岩移动;数值模拟;开采沉陷【作者】岳明;王创业【作者单位】内蒙古科技大学矿业工程学院;内蒙古科技大学矿业工程学院【正文语种】中文神东矿区在煤炭开发过程中出现了众多生态环境损害问题，并已成为制约矿区经济可持续发展的重大问题，亟待解决。
矿区地质条件具有煤层厚度大、埋深浅、薄基岩、松散沙层厚等特点，开采沉陷损害比较特殊。
通过对不同采高下覆岩移动规律的数值模拟分析，为开采沉陷治理提供理论依据，对促进矿区的社会和谐、环境友好和经济可持续发展具有重要的实际意义。
神东矿区补连塔煤矿四盘区位于该井田的西北区域，盘区南北走向约5.0 km，东西倾向约5.6 km，面积28.53 km2。
四盘区地表大多被第四系松散层覆盖，松散层厚度25～80 m，基岩厚度120～190 m。
基岩上部存在厚度不等的砂砾含水层，厚度30～60 m，而其他盘区内都没有此层砂砾岩［1］。
神东矿区补连塔煤矿12407综采工作面所在煤层为1-2煤，位于补连塔井田四盘区，走向长度2 842 m，倾斜长度300.5 m，圈定回采面积854 076.59 m2。
煤层倾角1°～3°，煤厚5.0 m，煤层埋藏深度196.7 m。
工作面采用走向长壁后退式布置，采用一次采全高综合机械化设备开采，全部垮落法处理采空区。
采场覆岩移动矿压显现规律数值模拟
采场覆岩移动矿压显现规律数值模拟随着社会经济的发展，煤炭作为主要的能源燃料得到了越来越广泛的应用，而煤炭采掘作为一项重要的工程建设项目，其安全性和可持续性已经成为人们高度重视的焦点。
煤炭采掘作业现场的岩石移动是煤炭采掘的主要安全问题，而正确地识别准确的毁坏程度，预测采场岩石移动程度，以及采取相应的应对措施，对于煤炭采掘安全稳定和提高煤炭采掘生产效率具有重大意义。
据实践证明，覆盖煤层的覆岩移动主要受岩石压实性、岩石弹性模量和岩层及其局部的倾向度影响，而矿压系数是衡量岩石压实程度的重要参数，对煤炭采掘安全性具有重要影响。
因此，准确地模拟矿压系数的变化是分析采场覆岩移动规律的基础，是提高煤炭采掘工程安全性的关键。
根据不同地质条件，矿压系数可分为块应力系数和裂隙应力系数两种，而实际应用中又以块应力系数作为采场覆岩移动预测的主要指标。
块应力系数与岩石压实程度关系密切，而岩石压实性又受岩石弹性模量以及岩层及其局部的倾向度等参数影响，因此准确模拟矿压系数变化的关键在于准确的参数提取以及参数的间歇性变化。
针对这一特点，实验室采用有限元模拟方法，结合现场试验数据，对岩石块及岩石间的力学性能的变化进行模拟，以便更准确的提取岩石块应力系数及其变化规律。
实验室先进多媒体技术，以采空区地质条件差异化为研究范围，运用有限元模拟技术模拟原煤层覆岩压实状态及煤层开采对余压表现的影响，对各不同地质条件下的块应力系数变化规律进行分析和模拟。
实验室在煤层工程采取的实践结果表明，当应用大面积矿压系数有限元模拟技术，采用岩石压实性综合物理模型以及受控煤层变形破坏模型时，可以以最大限度地解释煤矿采场覆岩移动矿压显现规律。
研究结果表明，作为煤层开采中矿压系数变化最为复杂的覆岩，其矿压系数从开采前到工作面开掘后，变化趋势有明显的变化，经有限元模拟技术模拟的矿压系数变化趋势和实际现场煤层采掘走向几乎一致，其结果表明，本研究方法能够准确的捕捉采场覆岩移动的矿压系数变化趋势，模拟准确，结果可靠。
巨厚岩浆岩下开采地表移动变形的相似模拟研究
２ 地表 移动变形规律 的相似模拟
综 放工作 面顶煤、 顶板岩层及上覆岩层运移过
维普资讯
朱建建 ， 巨厚岩浆岩 下开采 地表移动 变形 的相似模 拟研 究 等：
２ ９
形 的特点。相似模拟实验 的结果表 明， 岩浆岩断 裂 之前 ， 地表移动变形现象不显著； 当推进度 到 ９ ５ｍ ０
程具 有 复杂性 和不 可 预 见 性 ， 给 采 空 区 上 覆岩 层 这 运动 和地 表移 动规 律 的研 究 增 加 了难 度 ， 实 验 室 而
相似材料模拟实验可以直观有效地呈现煤层采出后 上覆岩层变形 、 移动 、 垮落 的全过程 ， 是认识和揭示 综放采场岩层和地表活动规律的研究方法之一。
～
相似模拟实验地 表监测点布置见图 ２ 地表 １ ，
＾ 涣罩 Ｅｕ
ｌ 测点位移曲线分别见图 ３ 图 ４ ３ 、 。
Ｏ
时， 岩浆岩发生初次断裂 ； 当推进度到 １５ １０ｍ时 ， 地 表发生较大沉降 ， 滞后于初次断裂时 间。这是 由于 岩浆岩初次断裂并非全厚层破断， 而是下位岩浆岩
推进 度（１ ｒ） ｒ
｛ ８窝蛊 ｇ 量 量 ；至
图 ３ 地表 １ 一７ 测点位移 曲线
０３ ４ ．１ ０３ ２ ．１ ０ ３１ ． ０ ０３ ８ ．０
维普资讯
Ｉ Ｓ ６ ｌ一２ ０ Ｓ Ｎ ｌ７ ９０ Ｃ ３—１ ４ ／ Ｄ Ｎ４ ３７Ｔ
采矿技 术
第 ７卷
第 ２期
２０ ０７年 ６ 月
Ｊｎ２ Ｏ ｕ ．０ ７
Ｍｉ ｉ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ，Ｖｏ． Ｎｏ ２ １ ７， ．
ｎ ０ ０ ｎ ｔ Ｏ ０ （ 】 ｎ 一
基于UDEC的保护层开采中覆岩移动规律的数值模拟与分析
第16卷第7期 2007年7月中 国 矿 业CHINA MINING MAG AZINE Vol.16,No.7J uly 2007基于UDEC 的保护层开采中覆岩移动规律的数值模拟与分析郝志勇,林柏泉,张家山,朱传杰(中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州221008) 摘 要:本文利用UDEC310软件对近距离上保护层开采导致的覆岩移动及裂隙发育过程进行数值模拟。
真实地反映了在开采保护层过程中覆岩移动及裂隙发育规律。
利用UDEC310软件模拟煤层开采引起的覆层移动过程可以预知实际开采中瓦斯运移通道的动态分布,对防止瓦斯突出具有重要的指导意义。
关键词:UDEC ;岩层移动;数值模拟;裂隙发育;瓦斯运移 中图分类号:TD325+1 文献标识码:A 文章编号:1004-4051(2007)07-0081-04Numerical simulation and analysis of the la w of overlaying strata movementin the mining of protective layers of coal seams based on U DECHAO Zhi 2yong ,L IN Bo 2quan ,ZHAN G Jia 2shan ,ZHU Chuan 2jie (School of Resource &Safety Engineering ,China University ofMining &Technology ,Xuzhou 221008,China ) Abstract :Numerical simulation was conducted using UDEC310for the movement of overlaying strataand f racture development caused by the mining of upper protective layers of coal seams with close quarters 1The results really reflected the law of overlaying strata movement and f racture development 1The dynamic distribution of gas migrating Channel during the mining of coal seams can be predicted by the simulation of overlaying strata movement caused by the mining of coal seams using UDEC3101This has important guiding significance on the prevention of gas outburst 1 K ey w ords :UDEC ;strata movement ;numerical simulation ;fracture development ;gas migration 1收稿日期:2007-04-20基金项目:国家自然科学基金资助项目(50534090,50574093);国家重点基础研究发展计划(2005cb221506);高等学校博士点专项科研基金(20030290013);国家十五重点科技攻关项目(2005BA813B07)作者简介:郝志勇(1982—),男,研究方向为矿井瓦斯防治。
8.8m超大采高综采工作面覆岩活动规律研究
第52卷第12期煤炭工程C O A L E N G I N E E R I N G Vol. 52，No. 12doi：10.11799/ce2020120138.8m超大采高综釆工作面覆岩活动规律研究杨俊哲(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木719315)摘要：为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律，以上湾煤矿8.8m 超大采高综采工作面为研究对象。
利用理论计算，相似模拟以及数值模拟等方法，通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段，将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合，对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。
推演得出浅埋深8. 8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型，揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律，分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系，为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。
关键词：浅埋煤层；超大采高；覆岩结构模型；上覆岩层；矿压显现规律；支架-围岩关系；微震监测中图分类号：TD325 文献标识码：A文章编号：167卜0959(2020) 12-0055-06Overburden activity law of 8. 8m super-high-cutting fully-mechanized working faceY A N G J u n-z h e(C H N Energy Shendong Coal Group, S h e n m u 719315, China)Abstract ：In order to grasp the overburden activity law of full-seam mining in shallow-buried extra—thick coal s e a m thicker than8. 8m,based o n the engineering background of 8. 8m super -high fully m e chanized mining face in S h a n g w a n Coal M i n e,theoretical calculation,similar simulation and numerical simulation are carried o u t,a n d through observation of roof displacement at d eep base point, microseismic monitoring, monitoring of ore pressure a n d other m e a n s,the far-field overburden activity is analyzed combining with near-field m i n e pressure behaviors, the law of overburden migration a n d roof structure is studied for the8. 8m super high cutting fully m echanized mining face. Structure mo d e l of the overlying strata caving is obtained for the shallow-buried 8. 8m s uper-high m i n e d out space, the space-time evolution law of far field roof fracturing a n d caving is revealed, the m i n e pressure m e c h a n i s m of the 8. 8m super-high-cutting fully-mechanized working face a n d the mechanical relationship between the support a n d surrounding rock are analyzed. T h e study can provide theoretical a n d technical guidance for the support selection,a n d safe a n d efficient mining in ultra-thick s e a m fully m e chanized mining face under similar conditions.K e y w o r d s：shallow d e p t h；supper - high - cutting；structure m o d e l of overlying strata；overlying strata；m i n e pressure behavior；relationship b e tween support a n d surrounding rock我国煤炭在一次能源消费中的比例达60%以上[1]。
大采高采场上覆岩层运移规律数值模拟
第31卷第2期辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2012年4月V ol.31No.2Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）Apr.2012文章编号：1008-0562(2012)02-0181-04大采高采场上覆岩层运移规律数值模拟孙占国（平庄煤业集团有限责任公司，内蒙古赤峰024000）摘要：为了研究大采高采场上覆岩结构及其运移规律，给大采高工作面的高产高效开采提供理论基础,通过3DEC数值模拟软件，以某矿6.2m大采高工作面岩层赋存特征为工程背景,分别建立采高为2.2m，3.2m，4.2m，5.2m，6.2m时的数学模型，研究不同采高下的上覆岩层垮落规律.结果表明：采高较低时，随着采高的增加，碎胀系数随着增加，冒落高度也随着增加，但是当采高增加到5.2m时，随着碎胀系数的增加，冒落高度却几乎不变.采高为2.2m时，最大离层量为1m，随采高的增加，离层量基本呈直线增加，当采高大于4.2m时，离层量增加迅速，当采高增加至6.2m时，最大离层量可达到3.05m.随着离层量的增加，基本顶失稳时容易给支架造成冲击性载荷，增加动载系数，影响大采高支架的纵向和横向稳定性.关键词：大采高；上覆岩层；3DEC；碎胀系数；冒落高度；离层量；支架；动载系数中图分类号：P548文献标志码：AMovement law of overlying rock in large mining height faceby simulationSUN Zhanguo（Pingzhuang Mine group Ltd.Co.,Chifeng024000,China）Abstra ct:For the mining height mining overburden structure and migration rule,for big mining height of high yield and high efficiency mining provides theory basis,through3DEC numerical simulation software,to6.2m in sihe coal mine large mining height the occurrence characteristics of rock engineering background,we establish mining height of2.2m,3.2m,4.2m,5.2m,6.2m of the numerical model to study the different mining height on the overlaying strata breaks down fall characteristics.The results show that mining height is low,with the increase of mining height,the hulking coefficient increased,falling height also increased,but when mining height increases to5.2 m,with the increase of the hulking coefficient,take down height but almost the same.Mining height of2.2m,the largest amount of abscission layer1m,with the increase of mining height,overburden bed separation grouting quantity basic sharply increase,when mining height more than4.2m,overburden bed separation grouting increased rapidly,when mining height are increased to6.2m,the overburden bed separation grouting quantity achieved3.05m. With the increased amount of overburden bed separation grouting,the basic roof easily when instability caused by impact load to stents,increase the dynamic load coefficient,great influence mining height in support of longitudinal and transverse stability.Kye wor d:height mining；overburden；3DEC；hulking coefficient；falling height；size of bed separations;support; dynamic load coefficient0引言层状岩体结构是煤系地层的重要特征，随着煤层的采出，上覆岩层自下而上依次运动，下位岩层呈现明显的剥离特征，由于岩层强度、分层厚度以及层、节理发育情况不同，各岩层的运动和垮落步距也有所不同，并且呈现出明显的成组运动特征，某些强度较大而又相对较厚的岩层可形成结构层，又叫作关键层，它在岩层的运动过程中起着决定性的作用，而那些强度较低或厚度较小的岩层作为关键层的载荷，通常将在同一组岩层中最下位岩层作为关键层.对于大采高开采而言，由于采高加大，采空区空间有了较大幅度的增加，只有更高的垮落带才能维系整个采场岩体的平衡.由于岩层顶板的分层垮落特性，原直接顶岩层垮落后不能充满采空区时，收稿日期：2010-12-22基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2011208036）作者简介：孙占国（1961-），男，辽宁凌源人，高级工程师，主要从事煤田地质与矿井地质面的研究.本文编校：焦丽182辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷一定厚度的下位老顶岩层将作为规则垮落带来弥补采空区充填的不足，这样，直接顶的厚度增加.实测大采高采场直接顶的垮落高度通常为煤层采出厚度的2.0~2.5倍.采高增大使直接顶的垮落度增加，但直接与支架作用的仍是完整的直接顶岩石，具有较好的传力效果，因而矿压显现明显增大.为研究大采高采场覆岩结构及运移规律，为大采高工作面的高产高效开采提供理论基础.本论文运用3DEC 数值模拟软件，再现大采高工作面顶板冒落情况，进一步研究不同采高采场覆岩层结构及运动规律.1模型的建立煤层开采将不可避免的引起上覆岩层的变形、破坏、冒落.距离煤层较近，岩性较软且厚度较薄的岩层将首先冒落，堆积在采空区，与上覆硬厚岩层形成一定的自由空间.上覆硬厚岩层将以煤壁、采空区冒落矸石以及液压支架为支承点，逐渐变形、破坏、失稳.不同的工艺参数，不同的地质条件，上覆岩层的运移规律也不同.本模拟研究以寺河矿6.2m 大采高工作面为对象.以某矿实际地质条件为工程背景，建立3DEC 软件平面应变模型，如图1.模型长×宽×高为：200m ×2m ×124m ，模型上边界为应力边界，施加埋深600m 的上覆岩层载荷，重力加速度为9.81m/s 2，其余边界均为固定正方向位移边界，如图1（b ）.为了能够较真实地模拟工作面顶板运移及冒落情况，考虑工作面每天3班生产，一个班检修，平均日进度为5m.（a ）应变模型（b ）模型边界条件图1数值模拟模型Fig.1numerical simulation model2模拟结果分析采高不同，上覆岩层活动空间范围则不同，矿压显现规律不同.分别建立采高为2.2m ，3.2m ，4.2m ，5.2m ，6.2m 时的数值模型，研究不同采高下的上覆岩层垮落特征，如图2.从图2可以看出，在相同地质条件下，随着采高的增加，采空区冒落矸石的碎胀系数随着增加.以覆岩下沉量达到或超过50cm 时即认为岩层冒落.当采高为6.2m 时，覆岩的冒落高度为20.6m ，折合碎胀系数p k 为：20.6 6.21.320.6p h h k h ++=冒采冒＝＝，（1）式中，h 为冒落带高度，m ；h 为煤层开采高度，m ；冒采p k 为碎胀系数.同样的方法计算出不同采高时的碎胀系数如表1.采高较低时，随着采高的增加，碎胀系数随着增加，冒落高度也随着增加，但是当采高增加到5.2m 时，随着碎胀系数的增加，冒落高度却几乎不变.从岩层的冒落形态看，当采高较小时，上位岩层冒落空间较小，冒落矸石排列整齐；随着采高的增加，岩层的冒落空间和块度都随着增加，冒落岩块排列不整齐，有分层交叉现象，岩块间空隙增加，碎胀系数随着增加.煤层直接顶基本顶183第2期孙占国：大采高工作面煤壁片帮冒顶控制技术表1不同采高的碎胀系数Tab.1hulking coefficient of different minning height采高/m冒落高度/m碎胀系数6.223.0 1.275.223.6 1.224.220 1.213.217.8 1.182.213.75 1.16直接顶垮落后，其断裂线与水平面的夹角称为冒落角，模拟表明，工作面煤壁侧的冒落角和切眼侧的冒落角变化情况不同，当采高为2.6m时，工作面煤壁侧冒落角与切眼侧冒落角基本相同，随着采高的增加，工作面煤壁侧的冒落角逐渐增加，而切眼侧的冒落角变化不大.造成这种情况的主要原因是：上覆岩层的变形和破坏是与时间有关系的，开切眼侧的覆岩经过了长时间的充分的变形与破坏，各岩层的垮落基本已经充分；反之，工作面侧的覆岩断裂，破坏时间短，由下而上出现岩层的“悬臂”状态，由于下位岩层的悬臂作用导致上覆岩层滞后断裂，冒落，最终出现角度较小的情况.随着采高的增加，下位软岩层与上位厚硬岩层间的离层量不断增加.模拟结果如图2、图3，采高为2.2m时，最大离层量为1m，随采高的增加，离层量基本呈直线增加，当采高大于4.2m时，离层量增加迅速，当采高增加至6.2m时，最大离层量达到3.05m.随着离层量的增加，基本顶失稳时容易给支架造成冲击性载荷，增加动载系数，影响大采高支架的纵向和横向稳定性.（a）采高为2.2m时（b）采高为3.2m时（c）采高为4.2m时（d）采高为5.2m时184辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第31卷（e ）采高为6.2m 时图2不同采高条件的顶板冒落特征Fig.2roof falling character ofdifferent mining height图3最大离层量与采高的关系Fig.3relation of the biggest overburden bed separationbetween mining height在工作面开采初期，工作面顶板断裂线在控顶区后上方，当工作面基本顶初次来压后，顶板断裂线将转移至工作面煤壁前上方3~5m 的位置.顶板的超前断裂容易产生2个方面的不利影响：一是由于顶板的超前断裂，控顶区成为“压力拱”的拱脚，支架的工作阻力大幅度增加；二是导致支架上方的剩余顶煤或顶板破碎，如果工作面片帮严重，且工作面管理不善，很容易导致工作面架前冒顶，尤其是移架的时候.随着采高的增加，虽然冒落高度不是直线增加，但上覆岩层离层量增加且顶板断裂线的前移，这是大采高工作面上覆岩层运移的重要特征，也是大采高工作面煤壁容易片帮的主要一个原因.3结论(1)当采高比较小时，上覆岩层冒落空间较小，冒落矸石排列比较整洁；而随着采高的增加，岩层的冒落空间和块度都随之增加，冒落岩块排列不整齐，有分层交叉现象发生，岩块间的空隙也有增加，碎胀系数陡然增加；(2)随着采高的增加，虽然冒落高度不是直线增加，但是上覆岩层离层量增加且顶板断裂线向前移动，这是大采高工作面上覆岩层运移的重要特征，也是大采高工作面煤壁容易片帮的主要原因之一.参考文献：0.511.522.533.5 2.23.24.25.26.2采高/m最大离层量/m [1]陆士良.无煤柱护巷的矿压显现[Ml.北京:煤炭工业出版社,1982.[2]高玮.倾斜煤柱稳定性的弹塑性分析[J].力学与实践,2001(23):23-26.[3]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业出版社,1994.[4]王金力.大断面煤巷快速掘进技术研究与探索[J].煤炭科学技术,2002,30（增刊）:55-57.[5]鞠文君,赵兵文.全长锚固锚杆的工况监测方法[J].煤炭科学技术,1998,26(6):15-18.[6]马念杰,李英明,颉爱珍.新型玻璃钢锚杆成型工艺研究[J].玻璃钢/复合材料,2006(1):124-127.[7]马念杰,李英明,朱春华.玻璃钢锚杆阻燃机理及其配方研究[J].中国安全科学学报,2004,22(2):278-281.[8]马念杰,张玉,陈刚,等.新型玻璃钢锚杆研究[J].煤矿开采,2001(4):252-255.[9]马念杰,刘洪涛,张飞飞.煤帮玻璃钢锚杆支护的安全稳定性研究[J].中国科技信息,2007(5):653-658.[10]张国华,李凤仪.复合软顶移动规律及其控制[J].矿山压力与顶板管理,2004(6):112-116.。
采动影响下覆岩应力变化规律的数值模拟分析
采动影响下覆岩应力变化规律的数值模拟分析随着经济社会的发展，深部矿产资源开发越来越受到重视。
覆岩在采矿工程建设中具有重要作用，而采动加荷对其对作用造成的应力变化现象更是引起了人们的广泛关注。
以“采动影响下覆岩应力变化规律的数值模拟分析”为研究课题，结合解析计算及数值模拟，通过深入的研究可以为发展深部矿产资源提供理论依据，并且有利于深入了解采动加荷对覆岩应力变化的规律，从而更准确地预测采动对覆岩及被采区域影响。
覆岩应力变化是改变采动加荷下覆岩应力状态的过程，是影响采矿工程安全的重要因素之一，包括覆岩本身的宏观变形特征、应力水平及其演化规律。
覆岩的应力变化是一个复杂的过程，它与空间尺度、时间尺度、应力水平、覆岩局部结构等有关。
因此，对覆岩应力变化的规律性的研究，至关重要。
采动加荷作用于块状覆岩中之后，覆岩应力状态将会发生变化，该变化主要具有三个方面的表现，即：覆岩应力状态随采动深度的变化；覆岩应力状态随采动加荷的变化；覆岩应力状态随采动时间的变化。
由于覆岩自身的孔隙性等微观特性对上述变化的影响及其表现结果的不同，覆岩应力变化的规律难以用简单的理论模型来描述，因此，通过解析计算和数值模拟的方法研究覆岩应力变化现象就显得尤为重要。
解析计算是考虑覆岩孔隙性等微观特性影响的一种数学方法，广泛应用于挖掘工程分析中。
其主要思想是采用一定的假想模型，将覆岩分解为多个单元或局部结构，然后利用单元或局部结构特征将复杂的覆岩模型简化为若干简单的计算问题，与此同时也可以结合假想实验及理论模型，对复杂的覆岩应力变化现象进行简化分析。
数值模拟是一种通过在计算机上模拟实际覆岩的属性及行为来研究覆岩应力变化的技术，可以比较准确地重现实际的覆岩应力变化情况，也可以发现许多不易被观察到的现象，从而促进对覆岩试验规律的认识，以及对覆岩及其附近地层的深刻理解。
通过解析计算和数值模拟结合，我们可以更加深入地了解覆岩应力变化，从而更加准确地预测采动对覆岩及被采区域的影响。
巨厚岩浆岩下开采覆岩移动规律及动力灾害危险性分析与防控技术
作者简 介 ： 刘心广 （ ９３一） 男 ， １６ ， 山东嘉祥县人 ， 现任济 宁二 号煤
矿副矿长 、 总工程师 ， 高级工程师 。
2通过采用弹性能指标wet冲击能指标ke和备是薄煤层机械化开采装备的发展趋势针对含硫化铁结核复杂地质条件薄煤层对mg200456一qwd型采煤机zy28000918型液压支架及刮板输送机等综采设备进行合理改造设计现场应用设备运行安全平稳实现了月产3万余t的高产高效记录杜绝了轻伤以上人身事故及重大非人身事故为复杂地质条件下墨捌透霉35i一l对脯h嘞一龃喇阻龋圈圈艮礴薄煤层综采积累了宝贵经验同时为我国薄煤层综采走出了一条新路
（ ） 浆岩的破断使工 作 面支 架 的支撑 压力迅 速 ２岩
升高 ， 比无 岩 浆 岩 时 大 的 多 ， 力 集 中系 数 Ｋ 达 到 应
５６ ， ． ８ 这可能给采场周 围安全 带来极 大 的威胁 。之后 ，
随着工作 面的推进 ， 承压力 峰值有一定程 度 的回落 ， 支 但应力 集中系数 Ｋ也一直保持 在 ３ １ ３ ７之 间。 ．— ． （） ３ 由于岩浆 岩 的存 在 ， 承压 力增 大 的 区域要 支
层， 岩浆岩底界距 ３上煤顶界一般在 ３ ０ ０ ｍ左右 。 随着开采范围的增加 ， 巨厚 岩浆岩层 内的应 力逐 渐积累 ， 离层空 间加大 ， 当开采引起 的弯 曲应力达到 和
超过岩浆岩层 自身 强度极 限时 ， 或岩 体 内的断裂结构 引导 ， 巨厚 岩体产生突发性断裂和大面积垮落 ， 有可 能
采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究
Ξ第35卷 第1期2004年1月太原理工大学学报JOURNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY Vol.35No.1 Jan.2004 文章编号:100729432(2004)0120029203采空区覆岩移动规律的相似模拟实验研究刘秀英,张永波(太原理工大学建筑与环境工程学院,山西太原030024)摘 要:利用相似材料模拟实验法研究采空区覆岩的移动规律。
实验结果表明:工作面推进到72m时,地表发生移动变形,地表最大下沉量最终达到3.2cm;岩体裂隙自下而上随着工作面的推进而逐步发展,对应地形成了不同的裂隙网络分布。
关键词:相似模拟实验;地表移动;裂隙网络中图分类号:TU452 文献标识码:A1 相似材料模拟实验原理相似材料模拟实验法的实质,就是用与原型物理力学性质相似的人工材料按几何相似常数缩制成模型,在保证模型与原型初始状态和边界条件相似的情况下,通过对模型进行模拟开挖,来观察和观测模型采空区上方的地表移动规律、竖向三带的发育特征、裂隙发育特征等,然后按相似常数将观测结果换算到实地原型上[1]。
2 实验概况2.1 模拟原型条件实验以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面的地质采矿条件为背景设计物理模型。
据钻孔资料,该工作面覆岩厚度为201.17m,其中黄土层厚为75.62m,占总厚的37.6%;中、细砂岩为42.87m,占总厚的21.3%;泥岩、泥质砂岩为82.68m,占总厚的41.1%.所采2号煤层平均厚度3.59 m,倾角2°～7°,伪顶厚0.02～0.15m,由黑色泥岩及砂质泥岩组成;直接顶为黑色泥岩,厚2.0m;老顶为K8中粒白色砂岩,厚10.03m.工作面以走向长壁式布置,走向长560m,顶板全部垮落回采,每昼夜平均推进度为1.48～2.13m.2.2 模型设计实验选用的几何常数a l=100,容重相似常数a r=1.5,则应力相似常数aб=100×1.5=150.根据辛置煤矿的地层条件和实验台的尺寸,采用3m ×3m的平面相似模拟实验架进行实验。
高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律
高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律武泉林【摘要】针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件,运用相似模拟试验和数值模拟方法,分别研究了硬厚岩层下采场覆岩运动和采动应力演化规律.研究结果表明,工作面上覆岩浆岩时,覆岩破断的关键阶段分别为直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期破断、岩浆岩初次破断和岩浆岩周期破断(裂隙沟通地表);硬厚岩浆岩破断前,随着工作面的不断推进,煤体支承压力不断增加;硬厚岩浆岩破断后,采场支承压力要小于破断前.【期刊名称】《中国煤炭》【年(卷),期】2017(043)002【总页数】6页(P38-43)【关键词】硬厚岩浆岩;相似模拟;覆岩运动规律;数值模拟;采动应力【作者】武泉林【作者单位】济宁学院,山东省曲阜市,273100【正文语种】中文【中图分类】TD323随着煤矿开采深度、开采强度的增加，矿震、冲击地压、煤与瓦斯突出等动力现象日渐严重。
相关资料表明，在工作面上覆高位单层或多层硬厚关键层条件下更易引发采场矿压事故。
因此，正确掌握并运用上覆高位硬厚岩层顶板运动规律及采动应力演化规律，对工作面安全生产有重要的意义。
本文采用相似模拟试验和数值模拟方法，研究了硬厚岩层下采场覆岩的运动规律和采动应力演化规律，为以后相似条件下工作面安全开采提供了可靠的依据。
1.1 试验设置相似模型设计是以淮北杨柳煤矿地层岩石力学参数为依据，在相似模拟试验台上设计2个试验模型，分别模拟上覆单层、双层岩浆岩条件下，采场覆岩运动情况。
岩浆岩厚度为60 m，与开采煤层的间距为80 m，设计煤层开采厚度为8 m。
1.2 参数选择按照相似理论和以往经验确定相似模拟试验比，其中几何相似比为1:200，容重相似比为1:1.5，弹性模量相似比为1:300，时间相似比为1:14。
在本次试验中，相似模拟材料以细沙作为骨料，石膏和碳酸钙为胶结材料。
为了方便试验操作，在不改变原有物理性质条件下，对不起主要作用的岩层进行了合并。
覆盖岩层下矿岩流动过程数值模拟
Series N o.342 December 2004 金 属 矿 山MET A L MI NE总第342期2004年第12期3“十五”国家科技攻关项目(编号:2001BA609A-09-04)。
徐国元,中南大学资源与安全工程学院,教授,博士生导师,410083湖南省长沙市。
・采矿工程・覆盖岩层下矿岩流动过程数值模拟3徐国元 赵建平 黄仁东 李夕兵(中南大学)摘 要 利用离散元中刚性块体模型,模拟了多种放矿制度下,覆盖岩层与矿石的相互作用及移动过程,反映了矿岩的流动特点和接触线变化过程。
研究表明,用离散元方法模拟非均匀矿岩散体运动过程是适合的,能够用于采场结构参数优化、出矿方式选择、放矿管理和对矿石的损失与贫化指标进行预测。
关键词 离散元 放矿模拟 非均匀矿岩散体Numerical Simulation of Ore and R ock F low U nder OverburdenXu G uoyuan Zhao Jianping Huang Rendong Li X ibing(Central South Univer sity)Abstract The DE M(discrete element method)m odel of rigidity block was used to simulate the interaction and m ovement between the overburden and the ore in several ore drawing systems,which could reflect the flow characteristics and the change in contact line between the ore and the overburden.The study showed that it is appropriate to use DE M to simulate the m ovement process of nonuniform loose ore2rock.I t can be used in the optimization of stope structural parameters,the selection of ore drawing m ode,ore drawing management and the forcasting of ore loss and dilution indexes.K eyw ords Distinct element,Ore drawing simulation,N onuniform loose ore2rock body 分段崩落法是一种回采强度大、生产效率高、成本低、作业安全的采矿方法,较为成功地解决了矿体顶板岩石不稳固的问题。
巨厚煤层开采煤柱留设的数值模拟
在煤炭企业矿 井巷道开采作业过程 中， 其主要的 工序 包括 钻眼 、 装 运 与爆 破 ， 而煤 矿巷 道 的掘进 速 度 主 要取决于选择何种钻眼方式作业与是否合理使用装运 设备及其使用是否正确。作 为越来越走 向精 益化、 机 械化开采的煤炭企业而言 ， 每一个技术环节 ， 不同机械 设备操作 的规范性 ， 都会对开采作业 的实际效果造成 影响 ， 更与矿井开采作业职工的安全息息相关。 不难 发 现 ， 原 来 很 多 煤 炭 企 业 巷 道 掘 进 普 遍 使 用 的气腿凿岩机正逐步被全断面掘进机取代 ， 该设备 掘 进速度快 ， 成本低， 工效高， 巷道掘进质量好 ， 又安 全可 靠， 必将成为未来煤炭企业巷道掘进的重要设备。在 装 运环 节 ， 目前 国 内一 些煤 炭企 业 已 经基 本 实现 了 全 机械化作业。从生产技术的角度而言 ， 目前 国内很 多 煤炭企业井巷掘进广泛采 用的仍是钻爆法施工 ， 而支 护方式基本为锚喷支护。该方法在施工速度 、 安全 质 量、 劳动强度、 生产成本等诸多方面均优于传统的架棚 支护 和砌 碹支 护方 式 。但钻 爆 施 工 法在 实 际应 用 过 程 中还 存在 着 一 些 问题 ， 必 须 要 辅 以 其 他 技 术 才 能 保 障 巷道掘进工作的Ｊ ＮＮ进行 ， 例如改进光爆技术 ， 加强巷 道成形 ， 同时 ， 合理 选择锚杆， 提高安装质量 。这些都 需要 技术 人 员经过 对施 工 现 场或 作 业面 的实 地考 察 论 证， 选用合适的物料和设备， 才能消除可能存在的安全 隐患， 不断提升巷道掘进工作的稳定性和效率， 从而保 障生产任务的顺利完成。
３结 论
’
通过对 比分析 巨厚煤 层开ห้องสมุดไป่ตู้ 不 同巷道 布置 方式 时， 所 留煤 柱 的稳定 性 和 上覆 岩 层 的 破坏 情 况 ， 得 到 以
079煤矿开采2015年第3期-巨厚上覆砾岩厚度对采动围岩应力演化影响规律数值模拟研究
巨厚上覆砾岩厚度对采动围岩应力演化影响规律数值模拟研究司亮，徐学锋，庞龙龙，张浩，李正可，顾树圣（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454003）［摘要］针对受巨厚砾岩影响的跃进煤矿23130工作面下巷多次发生冲击矿压现象，研究了上覆砾岩的厚度对采动围岩应力演化影响规律。
运用FLAC 2D数值模拟研究了在上覆不同厚度砾岩条件下23090和23110工作面回采过程中对相邻工作面煤体应力场分布，以及23130工作面下巷开挖过程中应力演化的影响规律。
研究表明：上覆砾岩厚度越大，回采后影响范围越大，使相邻工作面煤岩体的最大应力值越大。
23130工作面下巷开挖过程中随着砾岩厚度的增加，垂直应力降低幅度越大，应力差越大，底板塑性破坏越严重，越容易发生冲击矿压。
［关键词］巨厚砾岩；数值模拟；应力演化；冲击矿压［中图分类号］TD325［文献标识码］A［文章编号］1006-6225（2015）03-0101-05Numerical Simulation of Influence of Overlying Extremely-thickConglomeration ’s Thickness on Mining StressSI Liang ，XU Xue-feng ，PANG Long-long ，ZHANG Hao ，LI Zheng-ke ，GU Shu-sheng（Energy Science ＆Engineering School ，Henan University of Science ＆Technology ，Jiaozuo 454003，China ）Abstract ：In order to research rock-burst occurred in lower roadway of 23130mining face influenced by extremely-thick conglomera-tion ，the influence of conglomeration thickness on mining stress evolvement was analyzed.Applying FLAC 2D to analyzing coal stress dis-tribution of 23090and 23110mining face under different conglomeration thicknesses and stress evolvement during lower roadway exca-vation of 23130mining face.Results showed that the larger the conglomeration thickness was ，the larger the mining influence range and maximum stress value of adjacent mining was.In excavating lower roadway of 23130mining face ，with conglomeration thickness in-creasing ，vertical stress reduction degree and stress difference was larger and larger ，the more serious floor failure was ，which more easily resulted in rock-burst.Keywords ：extremely-thick conglomeration ；numerical simulation ；stress evolvement ；rock-burst［收稿日期］2014－08－28［DOI ］10.13532/11－3677/td.2015.03.029［基金项目］国家自然科学基金项目（51104055，51274087，51274089）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A440002）；河南理工大学博士基金资助项目（B2012－084）［作者简介］司亮(1988－)，男，河南原阳人，硕士研究生，从事采矿工程相关的研究工作。
巨厚煤层综采放顶煤工作面上覆岩层移动规律研究
2009年第5期能源技术与管理巨厚煤层综采放顶煤工作面上覆岩层移动规律研究黄春光，周俊帆，王飞（河南理工大学能源学院，河南焦作454003）［摘要］针对义煤集团千秋煤矿巨厚煤层（平均21.8m）综采放顶煤采场上覆岩层的垮落特征及所形成的结构，以千秋煤矿的地质和开采条件为依据，通过相似模拟和数值模拟研究，分析了上覆岩层移动规律、破坏特点及垮落后的结构形态，得出了综放采场上覆岩层移动规律和上覆岩层应力的变化规律。
［关键词］巨厚煤层；综放开采；上覆岩层；相似模拟；数值模拟［中图分类号］TD325［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943(2009)05蛳0082蛳031概况义煤集团千秋矿21181工作面开采煤层为二1煤，煤层为黑色块状及粉未状，结构复杂，含矸3~6层，夹矸岩性分别为粉砂岩，细砂岩及泥岩，煤体干燥，松弱破碎，煤层厚度变化较大，16.81~ 26.78m之间，平均21.79m。
煤层平均倾角12°，煤层较为平稳。
采用ZFSB a-4400A-18.2/28型低位放顶煤支架，两采一放、采放平行，放煤步距1.2m。
煤层直接顶为泥岩，厚度37m，盘区内东薄西厚，泥岩抗拉强度1.56~2.37M Pa，抗压强度18.0MPa，抗剪强度0.38M Pa。
老顶以砾岩、细砂岩、泥岩互层为主，具有透水性。
工作面走向长度：上巷长1035m，下巷长1039m，平均长1037m，方位N89°34′W，倾斜104m（切眼），采深616.5~702.5m，平均采深659.5m，可采面积124300m2。
2相似模拟实验相似模拟试验是以相似理论为基础的实验室模型试验技术，利用事物或现象间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法。
适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种用于对理论研究结果进行分析和比较的有效手段［1］。
本文以义煤集团千秋矿二1煤为研究对象进行相似模拟实验研究。
巨厚砾岩层下工作面过断层覆岩运动规律研究及应用
巨厚砾岩层下工作面过断层覆岩运动规律研究及应用谭辅清;昝东峰;周楠;邓雪杰【期刊名称】《中国煤炭》【年(卷),期】2011(037)009【摘要】采用数值模拟的方法,研究了工作面过断层时上覆巨厚砾岩层运动规律,分析了上覆巨厚砾岩层周期性破断步距、断层面砾岩破断形式及工作面超前集中应力状态.研究认为,巨厚砾岩层的垮落失稳与断层块体铰接的动态失稳是导致采场应力异常,诱发冲击矿压的主要因素.对此,采取深孔卸压爆破、开设卸压硐室、煤层注水和加强巷道支护等预防冲击矿压的技术措施,在实践中较好地消除或减弱了冲击矿压的发生,对于矿井安全生产具有重要指导意义.【总页数】4页(P48-51)【作者】谭辅清;昝东峰;周楠;邓雪杰【作者单位】中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008【正文语种】中文【中图分类】TD32【相关文献】1.巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究 [J], 姜海强;李猛;吴晓刚;杜杰;房萧2.高位硬厚岩层下采场覆岩运动规律及采动应力演化规律 [J], 武泉林3.巨厚岩浆岩下覆岩运动规律及其致灾分析 [J], 马富武;蒋金泉;武泉林;张培鹏4.巨厚砾岩层下综放采场矿压显现规律 [J], 翟新献;别小飞;张帅;任永康5.巨厚松散层下综采工作面地表沉陷规律及其采厚效应 [J], 李开鑫;柳昌涛;王昊楠因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第２１卷第１２期 ２０１２年１２月中 国 矿 业ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ． ２０１２巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究姜海强１，２，李 猛１，２，吴晓刚１，２，杜 杰１，２，房 萧１，２（１．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１１１６；２．煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州２２１００８） 摘 要：基于义马矿区千秋煤矿工作面的采矿地质条件，采用离散元分析软件ＵＤＥＣ，建立了巨厚砾岩工作面覆岩移动的数值模型，模拟研究了上覆巨厚砾岩层的位移变化、塑性区分布和应力分布规律，结果表明：随着工作面的推进，砾岩层逐渐弯曲变形，接着上覆岩层总体均发生屈服，巨厚砾岩层与下方的岩层离层加大，到达一定距离后工作面左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域发生破坏，如果继续开采岩层会发生断裂，容易引起冲击矿压危险。
关键词：数值模拟；巨厚砾岩层；覆岩移动规律；冲击矿压危险 中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４０５１（２０１２）１２－０１０８－０４Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒＪＩＡＮＧ Ｈａｉ－ｑｉａｎｇ１，２，ＬＩ Ｍｅｎｇ１，２，ＷＵ Ｘｉａｏ－ｇａｎｇ１，２，ＤＵ Ｊｉｅ１，２，ＦＡＮＧ Ｘｉａｏ１，２（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｏｆ Ｑｉａｎｑｉｕ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｙｉｍａ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｔ ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＵＤＥＣ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｂｅｎｄｅｄ，ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｙｉｅｌｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｓｔｒａｔａ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ａｆｔｅｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｔｒａｔａ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｏｆ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅｓｉｎｋ ｉｎｔｅｎｓｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ａｒｅａｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｌａｙｅｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｉｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ ｔｏ ａｄｖａｎｃｅ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｍａｙ ｂｒｅａｋ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｃａｕｓｅ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ；ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ收稿日期：２０１２－０７－２７作者简介：姜海强（１９８８－），安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为固体充填采煤。
煤层顶板岩层的特性，特别是巨厚坚硬顶板是诱发煤矿冲击矿压的重要影响因素之一。
随着上覆岩层悬顶长度的增大，巨厚顶板岩层中聚积的能量变大，当顶板发生破断和滑移失稳时，巨厚顶板聚积的大量能量瞬间释放，从而诱发顶板型冲击矿压。
目前，国内外学者对巨厚砾岩层的研究较少，主要集中在冲击矿压、地表沉陷等方面，鲜有对上覆巨厚砾岩层的运动规律和破坏形式等方面的研究。
史红、姜福兴等利用两端嵌固梁力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行了分析，根据岩层中的应力场分布，提出了大厚度坚硬岩层的３种破坏方式的力学判断。
王金安等运用弹性基础厚板理论，研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响，以及岩浆岩变形规律与破坏形式。
轩大洋、许家林等采用离散元计算方法，研究了巨厚火成岩下开采时的采动应力演化规律，从采动应力影响范围的角度，解释了煤与瓦斯突出灾害的原因。
本文结合义马矿区千秋煤矿２１１４１实际工程地质条件，利用ＵＤＥＣ数值模拟软件，建立了采动影响下覆岩运动变化的数值模型，得到了覆岩的位移变化、塑性区分布和应力分布规律。
１ 采矿地质条件千秋煤矿２１１４１工作面位于矿井西部二水平第１２期姜海强，等：巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究２１采区下山西翼。
地面标高５９０．１～６１７．５ｍ，工作面标高为－３８．１～－８４．７ｍ，平均采深６３８ｍ。
工作面可采走向长度１２９８ｍ，倾斜长度１３０ｍ，倾角１０°～１４°，煤层平均厚度为２０ｍ。
直接顶为深灰色泥岩，厚度２３～２７ｍ，平均２５ｍ。
基本顶岩性为砾岩，厚度平均４０７ｍ。
煤层底板岩性复杂，自上而下由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及含砾相土岩组成，厚度０．３～６．７ｍ，平均６．７ｍ。
２ 模拟软件的选取及模型的建立２．１ 数值模拟软件的选取本文的数值模拟软件采用二维离散元分析软件ＵＤＥＣ，该软件能够很好地模拟岩体的复杂力学和结构特性。
离散的岩块允许大变形，允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落；在计算过程中，能够自动识别新的接触。
单个块体可以是刚体或者是可变形的，接触是可变形的。
节理的相对运动遵循法向或切向的线性或非线性运动关系。
结合ＣＡＤ软件，可以形象直观地反映岩体运动变化的应力场、位移场、速度场等各力学参量的变化。
２．２ 数值模型的建立根据２１１４１工作面的采矿地质条件，建立了与工作面实际情况基本相同的数值计算模型。
由于本文研究上覆巨厚砾岩层对工作面回采的影响，模型没有简化，模型上边界为地表，数值模型的左右边界不小于一个完整工作面的开采及影响范围，大小为１３８０ｍ×７００ｍ。
建立的数值模型见图１。
图１ 巨厚砾岩层工作面覆岩运动规律数值模型２．３ 模型的开挖步骤模拟煤层从左到右开挖，开挖步距为１０ｍ，模型左右边界为位移约束ｕｘ＝０；下边界也为位移边界ｕｙ＝０。
模拟岩层的参数采用岩石真实的力学参数，见表１。
表１ 千秋煤矿岩性及力学性能层号岩石名称模型深度／ｍ厚度／ｍ弹性模量／ＧＰａ抗压强度／ＭＰａ泊松比密度／（１０３ｋｇ·ｍ－３）内摩擦角／°１砾岩４２１ ４２１ ２４ ４５ ０．２８ ２．２ ３５２细沙岩４５１ ３０ ３５ ６０ ０．２５ ２．６ ３０３砾岩４６４ １３ ２４ ４５ ０．２８ ２．２ ３５４粉沙岩５０３ ３９ ２８ ４０ ０．２７ ２．１ ２８５砾岩５１８ １５ ２４ ４５ ０．２８ ２．２ ３５６细沙岩５３９ ２１ ３５ ６０ ０．２５ ２．６ ３０７砾岩５４９ １０ ２４ ４５ ０．２８ ２．２ ３５８粉沙岩５７５ １３ ２８ ４０ ０．２７ ２．１ ２８９泥岩６０３ ２８ １６ ２８ ０．３ １．８ ２５１０ ２煤６２９ ２６ ９ １６ ０．３４ １．６ ２６１１泥岩６３３ ４ １６ １６ ０．３ １．８ ２５１２粉砂岩６３８ ５ ２８ ４０ ０．２７ ２．１ ２８３ 数值模拟结果及分析３．１ 工作面推进不同距离覆岩位移变化规律当２１１４１工作面进行分步开采时，不同开采阶段上覆岩层的位移及垮落情况不同，如图２所示。
由图２可知，当工作面刚开始推进时，上覆岩层只出现了一些弯曲，并未有岩石垮落。
当工作面推进４０ｍ距离时，此时直接顶发生初次垮落，垮落值为０～５ｍ，覆岩继续弯曲变形。
当工作面推进６０ｍ距离时，此时基本顶初次来压，随着工作面的推进，工作面周期来压步距为５０ｍ左右。
岩层垮落明显，垮落值达到了１６ｍ。
并且上覆岩层呈现出较大的弯曲变形，岩层之间离层明显。
当工作面推进１５０ｍ时，由于开采距离加大，上覆岩层出现明显的弯曲下沉，砾岩层坚硬不垮，其下面岩层垮落面积较大，垮落的岩石充满了采空区。
当工作面推进３１０ｍ时，采空区被垮落的岩石充满。
砾岩层以下的岩层发生大面积旋转下沉，在细砂岩和巨厚砾岩层之间出现了明显的离层，巨厚砾岩层悬空不垮落。
随着工作面继续推进，巨厚砾岩层开始自下而上逐层垮落。
当垮落岩石充满离层空间时，砾岩层不再发生垮落。
９０１中国矿业第２１卷图２ 工作面推进不同距离岩层垮落形态３．２ ２１１４１工作面推进不同距离覆岩的塑性变化规律图３为工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态。
工作面推进６０ｍ时，工作面顶板大部分区域发生屈服，形成屈服区和塑性区。
小部分区域发生拉伸破坏。
顶板与巨厚砾岩层之间的岩层，受采动影响较小，塑性区发展缓慢。
上方的巨厚砾岩层，由于自身的刚度较大，所以其没有发生明显变形。
图３ 工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态工作面推进到１００ｍ后，覆岩塑性区发育面积加大，顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。
工作面前后方的煤体区域受采动影响后，屈服体积更大，影响范围更加广泛。
工作面推进到２００ｍ后，工作面前方的岩层几乎都发生了塑性变形，上方的岩层之间有屈服变形和塑性变形产生，左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。
３．３ 工作面推进不同距离时覆岩的应力变化规律２１１４１工作面回采过程中应力变化规律，如图４所示。
图４（ａ）是工作面分别推进６０ｍ、３００ｍ和５５０ｍ时的应力变化情况。
从图４中可以看出，随着开采空间的变大，工作面最大支承应力值也不断变大，煤壁两端的支撑应力在２５～３０ＭＰａ之间，采空区应力降低到１５ＭＰａ以下。
当工作面推进３１０ｍ后，巨厚０１１第１２期姜海强，等：巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究图４ 工作面推进不同距离应力情况砾岩层不再悬空，开始触底稳定，采空区应力得以恢复。
图４（ｂ）是工作面分别推进８００ｍ、１０５０ｍ、１３００ｍ时的应力变化情况。
从图４中可以看出，随着推进距离的加大，采空区垮落的岩石逐渐被上方下沉的岩层压实，岩层受到支撑应力增大，最大值达到２８ＭＰａ。