厚煤层开采防治冲击地压的数值模拟研究 - 图文

3 放顶煤开采降低冲击倾向性的理论依据

厚煤层储量在我国煤炭储量中约占，其产量比重约占原煤产量的左右。很多矿井赋存有厚的煤层，且都为主采煤层。因此，厚煤层开采效益的好坏，对我国煤炭企业的发展起着举足轻重的作用。目前，我国开采厚煤层的方法主要有两种：分层开采和放顶煤开采。

冲击地压是煤岩体中积聚的应变能突然而猛烈释放而造成的，发生在高应力区的脆性煤岩体中。如果改变煤岩体的力学特性，使其具备某种形式的塑性应变，能使应变能释放，就会使冲击地压得到有效控制。放顶煤开采改变了“顶板-煤层-底板”的力学承载体系，而转变成了“顶板-顶煤存在较大范围的内应力场-开采煤层-底板”的力学体系。范围较大的内应力场的存在，使开采煤层上方形成了一个塑性变形区域，在坚硬的老顶岩梁断裂发生动压冲击和应力高峰转移过程中，该区域内的煤体是在逐渐被压碎的条件下被破坏的，显然，有内应力场作为缓冲，冲击地压发生的可能性及强度都会小很多。

由于放顶煤工作面直接顶厚度增加，较分层开采的上覆岩层的纵向运动范围大，当上部冲击岩层发生冲击时，已发生破坏的顶煤层及已发生运动的上覆岩层的存在，将对冲击波产生削弱作用，从而降低了冲击地压的强度。

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4 放顶煤开采与分层开采数值模拟对比

RFPA软件主要模拟脆性介质的破坏过程，并采用均质度描述脆性介质的非均质性，符合冲击性煤岩体的破坏本质。该软件对煤岩体破坏全过程的声发射能连续模拟显示，可实现对不同冲击倾向性煤岩体的声发射特征进行对比分析。

计算模拟采场采深为800米，模型为长方形，长300m，高100m，水平方向为300个单元，垂直方向为100个单元，共有30000个单元，每个单元代表实际煤岩层数值1m为。根据RFPA软件本身的特点，模型的加载过程采用自重加载，并对煤岩层进行简化，主要是改变其自身容重，减小其厚度。

(1)模拟放顶煤开采的顶板垮落及应力变化等情况。开挖从模型距离左侧边界70m处开始，开挖步距为10m，分12步开挖，其主应力随着采场推进的变化过程如图4.1所示。

初始计算模型 推采10m

推采20m 推采30m

推采40m 推采50m

推采60m 推采70m

推采80m 推采90m

推采100m 推采110m

图4.1放顶煤开采主应力图

（2）模拟分层开采的顶板垮落及应力变化等情况。开挖从模型距离左侧边界70m处开始，开挖步距为10m，分步开挖，其主应力随着采场推进的变化过程如图4.2所示。

初始计算模型 推采10m

推采20m 推采30m

推采40m 推采50m

推采60m 推采70m

推采80m 推采90m

推采100m 推采110m

图4.2 分层开采主应力图

5 模拟结果分析

（1）图4.1为放顶煤开采的主应力图，推采约50m处，顶板出现中部垮落现象，推采到80m处，顶板出现整体垮落；继续推采时，分别在90m、100m、110m

处出现周期断裂现象。

（3）图4.2为分层开采的主应力图，推采约30m处，顶板出现中部垮落现象，推采到60m处，顶板出现整体垮落；继续推采时，分别在80m、90m、100m、110m处出现周期断裂现象。

表4.1 分层开采与放顶煤开采支承压力分布规律数值模拟对比表

煤层开采方法 分层开采 放顶煤开采 分布范围m 20 40 峰值MPa 45 35 峰值点超前煤壁距离m 5 10 应力集中系数K 2.6 2.0 6 结论

（1）通过对分层开采与放顶煤开采的模拟可知，顶板初次来压时，岩层中部首先被拉断，顶板岩层中部及煤壁前方出现能量集中释放，煤壁前方出现应力集中；顶板周期来压时，顶板岩层超前煤壁断裂，在煤壁前方出现能量释放，煤壁前方支承压力峰值向煤体深部转移；采场在经充分扰动后，煤壁前方的能量释放范围、支承压力分布范围、支承压力峰值以及峰值出现的位置变化都不大。

（2）利用RFPA分别对分层开采和放顶煤开采进行了对比模拟分析，得出了以下结论：当采用放顶煤开采方法时，煤壁前方支承压力分布范围较分层开采时的大，能量释放范围也增大，说明放顶煤开采对采场围岩系统的扰动程度比分层开采时的大，有利于集中应力的释放；煤壁前方支承压力峰值较分层开采时的小，峰值出现的位置距煤壁的距离更超前于分层开采。

参考文献

[1] 周坤鹏. 冲击矿压发生的机理分析 [J].煤炭技术，2008，27（5）：79~81 [2] 宋振骐.实用矿山压力与控制[M]，徐州:中国矿业大学出版社，1988. [3] 钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M]，北京:煤炭工业出版社，1984. [4] 陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M]，徐州:中国矿业大学出版社，1994. [5] 宋扬.采场支承压力显现规律与上覆岩层运动关系研究[D]，山东科技大学，1982.