一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法

1.本发明涉及煤矿开采与矿压分析技术领域，具体是一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法。


背景技术：

2.急倾斜煤层广泛分布于甘肃、新疆、宁夏等煤炭生产基地，其煤层储量占国内煤炭总储量的15％～20％。我国急斜煤层分布广泛，其地质条件大多比较复杂。近年来，在急倾斜特厚煤层开采过程中已出现多起不同破坏程度的冲击地压显现，对急倾斜特厚煤层安全开采和井下作业人员生命安全造成较大威胁。急倾斜特厚煤层由于特殊的赋存条件和采煤方法，导致其覆岩破断运移和矿压显现规律与一般煤层显著不同，相关的矿压防治对策也不相同。
3.现有防治技术主要针对特定矿井赋存和开采条件下的覆岩运移或层间岩柱失稳诱发应力集中区动力显现，但未能深入涉及急倾斜特厚煤层工作面采动应力非对称分布特征、煤岩变形时空演化规律，导致矿压防治对策缺乏普适性和相关理论依据。因此，提出一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，揭示该类煤岩应力场-位移场演化特征，为类似条件下的矿压防治提供理论指导，对于矿井的安全高效生产以及提高社会整体的经济效益具有重要的影响意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，能够将急倾斜特厚煤层开采煤岩应力场-位移场演化过程数值化，更高效、准确、直观反映工作面矿压显现规律，从而为急倾斜特厚煤层工作面矿压防治提供理论依据。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，包括：
6.步骤一、收集急倾斜特厚煤层工作面煤岩层地质和开采技术信息；
7.步骤二、运用flac
3d
软件建立数值模型，进行初始静力平衡计算；
8.步骤三、模拟急倾斜特厚煤层工作面分段开挖过程；
9.步骤四、输出急倾斜特厚煤层工作面应力和位移计算结果，获得急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律。
10.所述步骤一中，收集急倾斜特厚煤层工作面煤岩层地质和开采技术信息，包括：煤层倾角、侧压系数、煤岩层地质柱状、煤岩层物理力学参数、工作面分段垂高和采放比；所述煤岩层物理力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、内聚力和内摩擦角。
11.所述步骤二中，建立数值模型包括：选取煤岩材料的本构模型、设计数值模型尺寸、生成三维模型网格、设置煤岩材料参数、确定模型边界条件和初始条件。
12.所述步骤三中的模型开挖过程包括：首采工作面开挖过程以及多分段工作面开挖过程。
13.所述步骤四中输出的应力和位移计算结果包括：急倾斜特厚煤层工作面倾向剖面的竖向应力云图、竖向位移云图以及位移矢量图。
14.与现有技术相比，本发明提供的一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，利用flac
3d
软件建立数值模型，模拟急倾斜特厚煤层工作面沿煤层倾向的下行开挖过程，获得工作面矿压显现规律。本发明数值模拟方法可操作性强，且能够量化急倾斜特厚煤层开采煤岩应力场-位移场演化过程，可为类似条件下的矿压防治提供理论依据和指导。
附图说明
15.图1为本发明方法的流程图；
16.图2为本发明实施例中的数值计算三维模型图；
17.图中：1、煤层，2、顶板，3、底板。
18.图3为本发明实施例中的首采工作面回采至50m处的倾向剖面应力场-位移场分布图；
19.其中图3a为竖向应力，图3b为竖向位移，图3c为位移矢量；
20.图4为本发明实施例中的多分段工作面回采至50m处的倾向剖面应力场-位移场分布图；
21.其中图4a为第二分段竖向应力，图4b为第二分段竖向位移，图4c为第二分段位移矢量，图4d为第三分段竖向应力，图4e为第三分段竖向位移，图4f为第三分段位移矢量。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例1：
24.某急倾斜特厚煤层开采矿井五采区工作面回采过程中矿压显现强烈，表现为支架立柱折损、底煤隆起、巷帮突出和单体弯曲等，需要在分析该条件下工作面矿压显现规律的基础上，制定针对性的矿压防治措施。下面结合本发明中的一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，基于图1所示的流程图，对该矿五采区工作面回采过程的矿压显现规律进行数值模拟分析，具体实施步骤如下：
25.步骤一、已知该矿五采区急倾斜特厚煤层倾角为50
°
，侧压系数为1.2。工作面分段垂高为15m，采放比为1:4.36。根据煤岩层地质柱状信息，收集到如表1中的煤岩层物理力学参数。
26.表1煤岩层物理力学参数
[0027][0028]
步骤二、根据工作面的地质信息，利用flac
3d
模拟软件建立图2所示的数值计算三维模型图。采用莫尔-库仑(mohr-coulomb)模型作为煤岩材料的本构模型，设计模型尺寸为800m(长)
×
870m(宽)
×
700m(高)，共生成个153200个网格单元。根据表1设置煤岩材料的物理力学参数，模型顶面按实际地表水平设置，不再施加补偿载荷。模型侧面和底面均为固定边界，模型侧面施加梯形压应力，重力加速度取9.8m/s2，侧压系数为1.2。采用solve命令进行求解，完成模型的初始静力平衡计算。
[0029]
步骤三、以15m为一个工作面的分段垂高，以50m为步距沿煤层走向依次开挖首采工作面，模拟首采工作面的开挖过程。此外，沿煤层倾向依次下行开挖多个分段工作面，模拟多分段工作面开挖过程。每次开挖后均采用step5000命令进行求解并保存计算结果。
[0030]
步骤四、输出急倾斜特厚煤层首采工作面和多分段工作面开挖过程中的倾向剖面应力和位移计算结果。图3所示为首采工作面回采至50m处的倾向剖面应力场-位移场分布图，图4所示为多分段工作面回采至50m处的倾向剖面应力场-位移场分布图。
[0031]
由图3可知，工作面开挖使得上方煤体和底煤应力释放，而高应力向顶板和底板转移；其中顶板侧和底板侧煤岩受力呈现非对称性，即顶板侧的应力高于底板侧，其原因在于顶板侧处于外错应力集中区，而底板侧处于上方采空卸压区。因此，工作面顶板侧煤岩是急倾斜特厚煤层开采矿压防治的重点区域。此外，首采工作面的围岩变形以底煤底鼓为主，呈现中间大两侧小的“单峰”分布；上方煤体下沉次之，顶板弯曲下沉和底板隆起最小，表明底煤底鼓是急倾斜特厚煤层开采矿压防治的重点，此时直接顶还未发生破断。底煤底鼓最大位置位于工作面中部，需要防范中部区域的工作面支架发生破损。
[0032]
由图4可知，第二分段工作面开挖下围岩应力分布特征与首分段开挖下的类似，但顶板侧煤体的集中应力由7.4mpa升高至9.2mpa，应力集中更为显著。此外，第二分段工作面的围岩变形同样以底煤底鼓和上方煤体下沉为主，但顶板弯曲下沉量有所增大，表明直接顶已发生初次破断。随着倾向开挖空间的增大，工作面顶板侧煤岩的应力集中程度进一步增大，第三分段达到10.2mpa，顶底板两侧煤岩的非对称性进一步加剧。顶板侧煤岩较高的应力集中容易使上覆岩层积聚大量的弹性应变能，一旦发生破断将对工作面产生较强的动载扰动。第三分段工作面的围岩变形同样以底煤底鼓为主，但此时顶板的弯曲下沉量已经接近上方煤体的下沉量，且明显大于第二分段开采时的位移量，表明老顶发生了初次破断。
[0033]
基于本发明方法的数值模拟计算结果，可从顶板预处理和煤岩体弱化两方面提出急倾斜特厚煤层开采工作面矿压防治建议。顶板预处理是指顶板深孔预裂爆破技术，可以人为切断采空区与待采区之间顶板的连续性，降低顶板来压强度。煤岩体弱化包括煤体爆破卸压、底煤卸压爆破和大直径钻孔卸压，可实现煤岩体强度弱化，降低矿压显现的危险性。
[0034]
尽管已示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。