薄煤层巨厚坚硬顶板垮落数值模拟分析

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1、DOI：lO．3969／j．issn．1672—4011．2013．01．032薄煤层巨厚坚硬顶板垮落数值模拟分析张燕婷1，段锋2(1．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001；2．安徽省淮南市山南开发建设有限责任公司，安徽淮南232000)摘要：为了揭示薄煤层巨厚坚硬顶板突然垮落与其周期垮落步距之间的关系，笔者利用Ansys数值模拟软件对薄煤层巨厚顶板周期垮落进行数值分析，得出顶板垮落时的最大周期垮落步距。因此，为了防止薄煤层巨厚坚硬顶板突然垮落，应在满足综采机的工作条件下，减小薄煤层巨厚坚硬顶板垮落步距；并提出采用超前预爆破技术的方法对工作面前方的岩石进行松动爆破，以减

2、少冲击地压、保障工作面安全生产。关键词：薄煤层；坚硬顶板；周期垮落步距；数值模拟：方法中图分类号：7ID821文献标志码：B文章编号：1672—40ll(2013)01—0068一03O前言在我国的地下煤层开采中，坚硬顶板条件下进行开采较为常见如：安徽淮北矿区、山西大同矿区n1等。由于薄煤层巨厚坚硬顶板岩石抵抗破坏的极限强度大，因而会在煤层开采后，在采空区形成大面积悬顶，在短时间内不容易自然垮落。但是由于顶板悬空面积大，一旦垮落，那么岩层折断时产生的强烈动荷载会损坏或推倒大量工作面支架，从而顶板常沿煤壁切断造成工作面垮落事故；同时可能形成破坏性巨大的飓风和冲击地压，这样会对井下安

3、全生产带来极大的威胁悼-3J。同时因为煤层厚度薄，满足不了综采机的最小采高，此时需要综采机钻头切割顶板或底板，而当工作面岩石较硬时，综采机钻头将无法切割顶板或底板岩石。因此，控制薄煤层巨厚坚硬顶板垮落步距，且要满足综采机的工作条件，成为薄煤层巨厚坚硬顶板工作面安全生产急需解决的问题¨]。1薄煤层巨厚坚硬顶板垮落数值模拟1．1模型参数设计薄煤层巨厚坚硬顶板，其煤层厚度不超过1．5m，顶板厚度超过20m，强度高、整体性强、自承能力强，但强节理裂隙发育差，薄煤层巨厚顶板的示意图如图1所示。均布荷载qIlIl‘I¨畛∥∥∥∥∥乡黝路足巨LI均布荷载qlIlIfI¨I图l薄煤层巨厚坚硬顶板

4、示意图图2岩粱的力学模型厚比为l／5—1／，20的假设，所以在进行薄煤层巨厚坚硬顶板的周期垮落步距数值模拟时，不可以用岩板模型来对巨厚顶板进行计算，只可以采用岩梁模型，如图2所示。根据弹塑性理论和薄煤层坚硬顶板在煤层开挖时的受力特点，决定采用A璐ys静力学部分，主要对薄煤层坚硬顶板周期垮落步距进行数值模拟分析。采用三维建模分析，模型是由岩石和煤层组成，整个模型分为三层，第一层为上覆岩层模型，中间层为顶板模型，底层为煤层模型。岩梁模型采用三层soild45单元建创单塑性的DP模型进行模拟岩梁模型，其三边固支，一边悬空的悬梁。顶层和中间层的sol—id45单元的具体参数参考表l中的粉

5、土夹粉砂岩和中粗砂岩物理力学性质参数，底层的参数则使用煤层的物理力学参数。各种岩层的物理力学性质可根据实验室试验求得，在实际施工现场应考虑裂隙系数bJ。本文取安徽淮北矿区煤岩层参数作为参考(见表1)。表l煤岩层力学参数容重y内凝力C内摩剪切类别煤岩层擦角妒弹性模量G泊松(kN／m3)(MPa)比y(。)(GPa)粉土夹粉上覆岩层19．9O．0418．OO．06O．4砂岩直接顶中粗砂岩24．6t0．335，815．23O．21煤层9。煤1．45．O30．0o．65o．42直接底中粗砂岩24．6lO．335．815．23o．2l本文取工作面高度h为5m，长度为100m，顶板厚度H为2

6、5m，顶板岩层为中粗砂岩，煤层为未开采煤层，厚度为1．3m，而中粗砂岩岩石的抗拉强度和抗剪强度由岩石力学参数手册查出，抗拉强度为4—6MPa[6]，取为5MPa，考虑裂隙系数后，取裂隙系数为O．6，则岩石的抗拉强度为3MPa，抗剪强度为18MPa。1．2周期垮落步距计算随着工作面的推进，当薄煤层坚硬顶板初次垮落后，顶板结构将发生严重变化。如将坚硬顶板视为岩梁，则顶板结构由双支点岩梁结构转化为悬臂梁结构，悬臂梁的固支端由工作面前方的煤壁支撑，当坚硬顶板的上覆岩层为整体性岩层时，一般将顶板的压力看成均布载荷，其力学模型如图2所示。因此。根据煤岩平均容重和地应力计算公式，开采深度下地应

7、力f约为：．r=y’．jI(1)式中，y’为煤岩层平均容重，kN／m3；h为开采深度，m。坚硬顶板的自重口为：口叫^(2)由于巨厚顶板高度～般大于20m，超过了薄板理论宽．．』，h作者简介：张燕婷(1983一)，女，山东梁山人，在读研究生。式中，’，为顶板岩层平均容重，kN／m3；H为顶板厚度，m。由材料力学可知，悬臂梁的最大弯矩肘。位于工作面肘一=如r(3)主翌錾：盔墨墨燮堕幽墨塞缝蓥丝堕堡!i!篓i旦式中，q为顶板受到的均布荷载，kN／m2；L为坚硬顶板悬臂梁的极限跨距，m。