大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理的离散元分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.01.002 第27卷第1期 北京科技大学学报 VoL.27 No.1 2005年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2005 大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与 破坏机理的离散元分析 王树仁王金安戴涌 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要应用UDEC2D计算程序，对某煤矿大倾角厚煤层综采放顶煤的空间效应及其放煤 机理进行了数值模拟，揭示了在综放开采过程中采场覆岩与顶煤的移动规律及相应的应力 场、破坏场的变化特征，并对控顶区项煤的变形破坏特征及直接顶的离层跨落步距进行了 分析. 关键词大倾角厚煤层；煤岩移动：综采放顶煤：数值模拟 分类号 TD823.21 近年来，随着综采放顶煤技术的进步与提 层状结构.四煤层的伪顶为黑色、深灰色泥岩和 高，综放应用范围的不断扩大，综采放顶煤已成 炭质泥岩，质软，易冒落，厚度为0.3~1.2m:直接 为我国煤炭系统实现矿井高产高效的主要途径 顶为深灰色粉砂岩和细砂岩，厚度为7.87~47.5 之一，虽然国内外学者对综放过程煤岩移动及顶 m;老顶为深灰色、灰色细砂岩和粗砂岩，厚度为 煤破坏规律等问题进行了大量的理论分析与实 6.37-52.63m.四煤层的底板为灰色、灰黑色粉砂 验研究，取得了一定的成果，但这些研究工作主 岩，坚硬稳固性好，厚度为2.70-13.37m.并田内 要是针对缓倾斜近水平煤层进行的四，而对大倾 四煤层为低疏、低磷、低灰分、发热量较高的优质 角煤层综放开采进行的研究工作却相对较少，目 动力用煤，且随着开采深度的增加，煤质将会越 前，该领域的许多研究工作尚处于探索阶段， 来越好. 施工现场解决新问题的方法仍主要靠经验类比， 该矿四煤层综放面走向长度为600m,倾斜 缺乏科学理论的指导. 长度112m,采高2.42.8m,初选支架类型为四 大倾角煤层由于煤、岩层沉积结构的特点， 柱、低位支架，宽度1.5m,高度1.7-3.0m,平均放 造成了其显著的各向异性特征，且倾角越大，各 高为13.63m,整个煤层埋深为260-320m.试采煤 向异性越显著.相对于缓倾斜近水平煤层开采， 层倾角约为30°，试采成功后将开采该矿倾角为 大倾角煤层综放开采有其特殊的矿压显现规律、 42°的煤层. 地表沉陷与综放工艺特点.因此，对影响因素多、 物理过程复杂的大倾角综放采场的煤岩应力、变 2计算模型及参数 形与破坏规律进行研究，不仅具有重要的理论价 为了对大倾角厚煤层综放面的煤（岩）变形、 值，而且对现场实践也具有重要的指导意义， 破坏特征及破坏机理进行研究，采用UDEC2D计 算程序侧，以靖远某矿四煤层的综放面为工程背 1工程概况 景，分别构建沿煤层走向和沿煤层倾向的计算模 型，如图1所示.综采面下部水平布置，上部沿煤 靖远某矿四煤层为矿井的主采煤层，沉积层 位较稳定，煤层倾角为29-35°，煤层厚度8.624.4 层倾向布置，如图1(b)所示.因此，该综放面兼有 m,平均厚度16.43m.煤岩结构为单一条带状和 水平开采和倾斜开采的特点，综放采场的煤岩应 力、变形与破坏规律将具有新的特色. 收稿日期：2004-0301修回日期：200409-28 基金项目：高等学校博士学科专项科研基金QNo,20040008025) 为了模拟在综放过程中，随着综采面的不断 作者简介：王树仁(1968一)，男，工程师，博士研究生 向前推进，四煤的顶板离层跨落过程，构建如图

第 2 7 卷 第 1 期 2 0 0 5 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr iyt o f S e i e n c e a n d l艳c h n o l o gy B e ij i n g V匕】 一 2 7 N O . l F e b . 2 0 0 5 大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与 破坏机理的离散元分析 王树仁 王 金 安 戴 涌 北京 科技 大学土 木 与环境 工程 学院 , 北 京 10 0 0 83 摘 要 应 用 U D E C Z D 计算 程序 , 对 某煤矿 大 倾角 厚煤 层综 采放 顶煤 的 空间效 应及 其放 煤 机 理进 行 了数值 模拟 , 揭 示 了在综 放 开采过 程 中采 场覆 岩与 顶煤 的移 动规 律及 相应 的应 力 场 、 破 坏场 的变 化特 征 , 并对 控 顶区 顶煤 的变 形破 坏特 征及 直接 顶 的离层 跨落 步距 进行 了 分析 . 关键 词 大 倾角 厚 煤层 ; 煤 岩 移动 ; 综采 放顶 煤 ; 数值模 拟 分 类号 T D 8 2 3 . 2 1 近 年 来 , 随着 综 采 放 顶 煤 技 术 的进 步 与提 高 , 综 放 应用 范 围的不 断 扩 大 , 综 采放 顶 煤 己成 为我 国煤 炭 系 统 实现 矿 井 高产 高 效 的主 要 途 径 之一 虽然 国 内外学 者对 综放 过 程煤 岩移 动 及顶 煤破 坏 规 律 等 问题 进 行 了大 量 的 理 论分 析 与 实 验研 究 , 取得 了一定 的成 果 , 但 这 些研 究 工 作主 要是 针 对缓 倾 斜近 水 平 煤层 进行 的 `, , , 而对 大 倾 角煤 层综 放开 采进 行 的研 究工 作却 相对 较 少 . 目 前 , 该领 域 的 许 多研 究 工作 尚处于 探 索 阶段 价, , , 施工 现场 解决 新 问题 的方 法仍 主要 靠 经验 类 比 , 缺乏 科 学理 论 的指 导 . 大倾 角煤 层 由于煤 、 岩层 沉 积结 构 的特 点 , 造 成 了其显 著 的各 向异性 特 征 , 且 倾 角越 大 , 各 向异 性越显 著 . 相对 于 缓倾 斜 近 水平 煤 层 开采 , 大倾 角煤 层综 放 开采有 其特 殊 的矿 压显 现 规律 、 地 表沉 陷 与综放 工 艺特 点 . 因此 , 对 影 响 因素 多 、 物 理 过程 复杂 的大 倾 角综放 采 场 的煤 岩应 力 、 变 形 与破 坏 规律进 行 研 究 , 不仅 具有 重要 的理论 价 值 , 而且 对 现场 实 践 也具 有 重要 的指 导意 义 . 层状 结 构 . 四煤 层 的伪 顶 为黑 色 、 深 灰 色泥 岩 和 炭质 泥 岩 , 质 软 , 易 冒落 , 厚 度 为 .0 3一 1 . 2 m ; 直接 顶为 深 灰 色粉 砂 岩和 细 砂 岩 , 厚 度 为 .7 87 一 47 . 5 m ; 老 顶 为深 灰色 、 灰色 细砂 岩 和 粗砂 岩 , 厚 度 为 .6 3 7 一 5.2 6 3 m . 四煤层 的底 板为 灰 色 、 灰黑 色 粉砂 岩 , 坚 硬 稳 固性 好 , 厚 度为 .2 70 一 13 . 37 m . 井 田 内 四煤层 为低 硫 、 低磷 、 低灰 分 、 发热 量较 高 的优质 动 力用 煤 , 且 随着 开采 深 度 的增 加 , 煤 质 将会 越 来 越 好 . 该 矿 四煤 层综 放 面走 向长 度为 6 0 m , 倾 斜 长 度 1 12 m , 采 高 .2 4 ~ 2 名 m , 初选 支架 类 型 为 四 柱 、 低位 支 架 , 宽度 1 . 5 m , 高度 1 . 7~3 . o m , 平 均放 高 为 13 . 63 m , 整个 煤 层埋 深 为 2 60 一 3 20 m . 试 采煤 层 倾 角 约为 3 0 , 试 采成 功 后 将 开采 该矿 倾 角 为 4 20 的煤 层 . 1 工 程 概 况 靖 远某 矿 四煤 层 为矿 井的主 采煤 层 , 沉 积层 位 较 稳定 , 煤层 倾角 为 29 一 3 50 , 煤层 厚度 8 . 6一 24 .4 m , 平均 厚度 16 .4 3 m . 煤 岩 结 构 为单 一条 带 状和 收稿 日期 : 2 0 4 e D 3刁l 修 回 日期 : 20 0今刁 9 - 2 8 基 金项 目: 高等学 校博 士学 科专项 科研 基 金伽 。 2 0 0 4 0 0 0 8 0 2 5) 作者 简介 : 王 树仁 ( 1% 8一) , 男 , 工程 师 , 博士研究 生 2 计 算模型 及 参数 为 了对 大 倾角 厚 煤层 综 放面 的 煤 ( 岩 ) 变形 、 破 坏特 征及 破 坏机 理 进 行研 究 , 采 用 U D E c ZD 计 算 程序 〔3 , , 以靖远 某矿 四煤层 的综 放面 为 工程 背 景 , 分 别构 建沿 煤层 走 向和 沿煤 层倾 向的计算 模 型 , 如 图 1 所 示 . 综 采面 下 部水 平布 置 , 上 部沿 煤 层 倾 向布 置 , 如 图 l( b) 所示 . 因此 , 该综 放 面兼 有 水平 开采 和倾 斜 开采 的特点 , 综 放采场 的煤岩 应 力 、 变 形 与破 坏 规律将 具 有新 的特 色 . 为 了模拟 在 综放 过程 中 , 随着 综采面 的不 断 向前推 进 , 四煤 的顶 板 离层 跨落过 程 , 构建 如 图 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 01. 002

·60 北京科技大学学报 2005年第1期 2所示沿煤层走向的计算模型，模型两侧面限制 根据现场取样和岩石力学实验结果，并考虑 水平移动，模型底面限制垂直移动，模型上部模 到岩石的尺度效应，计算采用的岩体力学参数见 拟上覆岩重，计算采用莫尔-库仑屈服推则. 表1. a)状房指 )沿煤层倾向 图1计算模型1 图2计算模型2 Fig.1 Computation model No.1 Fig.2 Computation model No.2 表1岩体力学参数表 Table 1 Mechanical parameters of rockmass 岩石名称 容重/kgm 体积模量/GPa切变模量/GPa抗拉强度MPa粘结力MPa内摩擦角/) 老顶 2485 8.0 4.0 3.0 8.0 50 直接顶 2400 5.8 2.7 1.0 1.5 43 四煤层 1400 5.0 1.0 0.1 1.0 35 直接底 2450 6.3 3.6 3.5 7.0 52 老底 2500 8.6 5.7 6.0 10.0 56 3计算结果分析 31综放面顶煤与顶板应力场特征 m11111mmm 由图3(a)可见，综放过程中，顶煤及顶板除受 mumm 自重场的作用外，还要承受因采动及顶板弯曲下 B 沉而形成的附加应力场的作用. 随着工作面向前推进，在煤壁前方一定距离 内，顶煤及顶板内最大主应力增至峰值后缓慢衰 减.在工作面煤壁前方及后方采空区顶板触矸 (a)沿煤层走向剖面 处，煤层顶板内最大主应力形成一大一小明显的 两个随工作面不断前移的动态应力峰值，即双峰 应力，另外，综采支架上方控顶区顶煤的主应力 随应变能的耗散而显著降低.沿煤层倾向在综采 面顶板内产生了明显的卸压区（如图3(）所示)， 随着最大主应力向实体煤岩内部的转移，在综采 面的两端头形成明显的两个峰值应力， m.c 3.2综放面顶煤与顶板位移场特征 从图4位移矢量场图中可看出，支架上方的 b)沿煤层倾向剂面 顶煤产生了垂向位移与水平位移的复合运动，顶 图3采场最大主应力变化曲线图 板岩层的移动具有明显的悬臂梁弯曲下沉特征. Fig.3 Major principal stress curves in the mining field 从顶煤及顶板位移变化曲线（图5）可见，由 于受采动及顶板弯曲下沉的影响，顶煤及顶板位 水平位移较大，直到采面支架后部位置附近，顶 移起始于煤壁前方较远的位置.综采过程中，顶 煤的水平位移与垂直位移都剧增至最大值，与最 板弯曲下沉的特征较明显.在支架上方，顶煤的 终发生顶煤散体跨落的实际情况吻合

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 ` 年 第 1 期 2 所 示 沿煤 层 走 向的计 算模 型 . 模 型 两侧 面 限制 水 平移 动 , 模 型底 面 限制垂 直 移 动 , 模 型上 部模 拟 上覆 岩 重 , 计 算采 用 莫 尔一库 仑 屈 服 准 则 . 根 据现 场 取样 和 岩 石 力学 实 验 结果 , 并考 虑 到 岩石 的尺度 效应 , 计算 采 用 的岩 体 力学 参数见 表 1 . 图 1 计算 模型 1 F 啥 · 1 C o m P u at iot . m o d e l N o . 1 图 2 计算模 型 2 F ig · 2 C o m P皿加iot n m o d el N o . 2 表 1 岩体 力学 参数 表 五I, l e 1 M e e h a n i aC l P a ar m e加 sr Of er e k . a s s 岩石名 称 容重 /承g . m 一 3 ) 体积 模量 G/ aP 切变 模量 /G p a 抗 拉强度 肥 “ 粘 结力 /M p a 内摩 擦 角 o(/ ) 0 、 úō à妇`气,气U 4 气j ù曰t ō、 老顶 ù 直接 顶 四煤 层 直 接底 老底 2 4 8 5 2 4 0 0 1 4 0 0 2 4 5 0 2 5 0 0 8 . 0 1 . 5 1 . 0 7 . 0 1 0 . 0 3 计 算结 果 分析 1 1 综放 面 顶煤 与顶板 应 力 场特征 由图 3 (a) 可见 , 综 放过 程 中 , 顶煤及 顶 板 除受 自重场 的作 用 外 , 还要 承 受 因采动 及顶 板弯 曲下 沉 而 形成 的 附加 应 力场 的作用 . 随着 工 作面 向前推 进 , 在 煤壁 前 方 一定 距 离 内 , 顶 煤及 顶板 内最大 主应 力增 至峰 值后 缓 慢衰 减 . 在 工 作 面 煤 壁 前 方及 后 方 采 空 区 顶板 触 研 处 , 煤层 顶板 内最大 主应 力 形成 一大 一小 明 显 的 两个 随工 作 面不 断前移 的动 态 应 力峰值 , 即双 峰 应 力 . 另外 , 综采 支 架 上方 控 顶 区 顶 煤 的主 应 力 随应变 能 的耗 散而 显著 降低 . 沿煤 层倾 向在 综采 面 顶板 内产 生 了 明显 的卸压 区 (如 图 3 伪) 所 示) , 随着 最 大主 应力 向实 体 煤岩 内部 的转 移 , 在 综采 面 的两 端头形 成 明显 的两个 峰值 应力 . .3 2 综 放 面顶 煤 与顶 板 位移 场 特 征 从 图 4 位移 矢 量 场 图 中可看 出 , 支 架上 方 的 顶煤产 生 了垂 向位 移 与水 平位 移 的复合 运 动 , 顶 板 岩层 的移 动 具有 明显 的悬 臂梁 弯 曲下 沉特征 . 从 顶煤 及 顶板 位 移 变化 曲线 ( 图 5) 可见 , 由 于 受采 动及 顶板 弯 曲下 沉 的影 响 , 顶煤及顶 板位 移 起始 于煤 壁 前 方较 远 的位 置 . 综 采过 程中 , 顶 板 弯 曲下沉 的特 征较 明显 . 在 支 架 上方 , 顶煤 的 图 3 采场 最大 主应 力变化 曲线 图 F i g J M aj or p血d P a l , t n , 活 cu ~ 加 ht e . 恤in g ife dl 水 平 位移 较大 , 直到 采 面 支架后 部位 置 附 近 , 顶 煤 的水 平位 移 与垂 直位 移都剧 增 至最 大值 , 与最 终 发 生顶 煤 散体 跨落 的 实 际情况 吻合

Vol.27 No.1 王树仁等：大倾角厚煤层综放开采顶煤移动规律与破坏机理的离散元分析 7。 33综放面顶煤与顶板破坏场特征 由图7中可以看出，在支撑压力作用下，支架 上方靠近采空区侧的顶煤首先发生张拉性破坏， 随着顶板的不断下沉，压剪破坏区不断向煤体内 部扩展.在煤壁前方与支架上方煤体内可以见到 有明显的压剪楔形滑移带的分布，煤壁前方与支 架上方煤体架后部附近的煤体呈现出张拉破坏 现象。 3.4综放采场顶板离层垮落分析 图4沿煤层走向采场位移矢量场图 由图8和图9中可见，大倾角综放面沿煤层 Fig.4 Displacement vectors on the longitudinal section 走向推进到距离切眼约32m处，直接顶离层垮 落，垮落步距约为20-25m.从顶板离层位移变化 。 曲线图中可看出，直接顶产生最大水平位移与最 itw (a)水平位移曲线 剪破坏 ×弹性 aammmmmrtWI 0拉破坏 aaamaarimtmitTiimtllmIl。 alIT wwwwwowwmmh mi0lmm 图7采场顶煤及顶板塑性区图 Fig.7 Plastic zones of coal and rock in the mining field b)垂直位移曲线 图5沿煤层走向顶煤及顶板位移曲线图 miHmmm Fig.5 Displacement curves of coal and rock on the longi- tudinal section 综放推进过程中，采场覆岩的沉降凹陷具有 明显的不对称特征，最大沉降偏向采区下山一 图8沿煤层走向顶煤破坏场及顶板水平位移图 侧，如图6所示， Fig.8 Horizontal displacement curves and failure of coal and rock on the longitudinal section mm咖不产 WHnt mmiTImml07Zaa0arr ZJE 图6沿煤层倾向顶煤及顶板垂向位移曲线图 图9沿煤层走向顶煤破坏场及顶板垂直位移图 Fig.6 Vertical displacement curves of coal and rock on the Fig.Horizontal displacement curves and failure of coal transversal section and rock on the transversal section

Vb】 . 2 7 N O . l 王树仁 等 : 大倾 角厚 煤层 综放 开 采顶煤 移 动规 律 与破坏 机理 的离 散 元分析 图 4 沿煤层 走 向采 场位 移矢 量场 图 F ig . 4 D is Pla e e m e n t v e e t o r 、 。 n th e OI n gl ot d 肠 a l s ce it o n 一 l 一 一 蒯丽珊朋丽聊丽俪腼偏~ , ~ ~ , , 们1 , 1 1叭下 I rl 日 11. 111… 11日 . 1日口日 11 户 枷偏一 _ _ 一卿嘿 丽珊漏~ 一一川恻恻 ’ 丽咖m 行 ~ 伽愉阮 卜 .3 3 综 放 面顶 煤 与顶 板破 坏 场 特征 由图 7 中可 以看 出 , 在 支撑 压 力作用 下 , 支架 上 方 靠近 采空 区 侧 的顶 煤 首先 发生 张 拉性破 坏 . 随着顶 板 的不 断下 沉 , 压 剪破 坏 区 不断 向煤 体 内 部扩展 . 在煤 壁前 方 与支 架上 方煤 体 内可 以见 到 有 明显 的 压剪楔 形 滑移 带 的分布 . 煤 壁 前方 与支 架 上 方 煤 体架 后部 附近 的 煤体 呈 现 出张 拉破 坏 现 象 . .3 4 综放 采 场 顶板 离 层垮 落 分析 由图 8 和 图 9 中可见 , 大倾 角 综放 面 沿煤 层 走 向推 进 到距 离切 眼约 犯 m 处 , 直接 顶 离层 垮 落 , 垮 落 步距 约 为 20 一25 m , 从 顶 板离 层位 移变 化 曲线 图中可 看 出 , 直 接 顶产 生最 大水 平位 移 与最 a( ) 水平位移 曲线 一 一资曰旧行竹, 厅n 们了斤 n们厅 一~ 俪而而m}!l}}川}川}}}}川川}}}川}川川川11姗 羹瞿麟 !}}}叮俪网 ~ 濡濡濡蒜赢赢俪i洲 卜盯m l l l川 ! ( ITl l r 介 , 们甲 n 个n ” ~ 碱 产 U · ” ” ” ” ’ 卜 丈 介 、 六 丫 丫 嗽 来 丈 \ 、 ` 丫 入 v 厂 ` 叹 凡 犷 、 幸 丫 厂 卜 , 一 、 · _ 、 ` 份 图 … ,吻 采 场顶 煤及 顶板 吓 塑性 区 图 F i g · 7 P l a s it e z o n e s o f e o a l a n d r o c k in t h e m in i n g n e ld (b ) 垂直位移 曲线 图 5 沿煤 层走 向顶 煤及 顶板 位移 曲线 图 F ig . 5 D is Pl a c e m e n t e u vr e s o f e o a l a n d r o c k o n t h e l o n ig - tu d in a l s e c ti o n 综放 推进 过程 中 , 采 场覆 岩 的沉 降 凹 陷具 有 明显 的不 对 称特 征 , 最 大 沉 降偏 向采 区下 山 一 侧 , 如 图 6 所示 . 拍翩栅而哪珊朋俪聊啊皿而卿和 ~ ~ . _ 一 : : : …寡么少 ` ” ’ l 二 一 丫 几: ; 加” 们 n 们m呀厅 m 】 1 图 8 沿煤层 走 向顶煤 破坏 场及 顶板 水 平位移 图 F i .g 8 H o irZ o n at l d is P la e e m e n t e u vr e s a n d fa Uu er o f c o a l a n d or e k o n t h e l o n ig t u d in a l s e e it o n 加而仰卿邢丽朋丽 }目!}}}目川川}!1}川】!}1}}!川川}川11川洲川}}!}川1}川 一 : : ! …反么一 ” ’ ` ’ 图 6 沿煤 层倾 向顶煤 及项板 垂 向位 移 曲线 图 F ig . ` Ve rt ic a l d is p l a e e m e n t e u vr e s o f e o a l a n d or c k o n t h e t r a n s v e r s a l S e C t i o n 图 , 沿煤 层 走 向顶 煤破 坏 场及 顶板垂 直位 移 图 F馆 . 9 H o irZ o n at l d is p h e e m e n t c u 口e s a n d af Uu er o f e o a l a n d or c k o n t h e tr a n vs e sr a l s e e it o n

·8· 北京科技大学学报 2005年第1期 大垂直位移值的点位于距切眼20-25m之间，验 带分布，煤壁表层与支架后部附近的煤体呈现出 证了直接顶垮落的步距约为20-25m这一结论. 张拉破坏现象. (4)大倾角综放面沿煤层走向推进到距离切 4结论 眼约32m处，直接顶离层垮落，垮落步距约为 (1)在综放面煤壁前方及后方采空区顶板触 20~25m.在顶板离层位移变化曲线中，直接顶产 矸处，煤层顶板内最大主应力形成两个随工作面 生最大水平位移与最大垂直位移值的点位于距 不断前移的动态应力峰值，即双峰应力.综采支 切眼20-25m之间，验证了直接顶垮落的步距约 架上方控顶区顶煤的主应力随应变能的耗散而 为20-25m这一结论. 显著降低 参考文献 (②)沿煤层走向，由于受采动及顶板弯曲下沉 [1]尹光志，鲜学福，待高飞，等.大倾角煤层开采岩移基本规 的影响，顶煤及顶板位移起始于煤壁前方较远的 律的研究.岩土工程学报，2001,21(4少：450 位置.在支架上方，顶煤的水平位移较大；到采面 2]陈忠辉，谢和平，王家臣，综采放顶煤三维变形、破坏的数 值分析.岩石力学与工程学报，2002,21(3)：309 支架后部位置附近，顶煤的水平位移与垂直位移 [3]钱鸣高，石平五，矿山压力与岩层控制.徐州：中国矿业大 都增至最大值.沿煤层倾向，采场覆岩的沉降凹 学出版杜，2003.361 陷具有明显的不对称特征，最大沉降偏向采区下 [4]杨硕，采动损害空间变形力学预测.北京：煤炭工业出版 山一侧. 社，1994 [5]王树元，岩层与地表移动预计方法，北京：煤炭工业出版 (3)在支撑压力作用下，支架上方靠近采空区 杜，1989 侧的顶煤首先发生张拉性破坏，随着顶板的不断 [6]UDEC2D (3.0)User's Manual Itasca.Minnesota:Consulting Gro- 下沉，压剪破坏区不断向煤体内部扩展，在煤壁 up,nc,1996 前方与支架上方煤体内有明显的压剪楔形滑移 Distinct element analysis on coal movement law and failure mechanism during mechanized top-coal caving in steep thick seam WANG Shuren,WANG Jin'an,DAI Yong Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRAC By using UDEC2D technique,this paper analyzed coal and rock movement laws,the deformation and failure characteristics of coal and the major principal stress in the process of top-coal caving in steep thick seam. The failure mechanism of coal and the movement trend ofrock on the top-coal caving working face were discussed. The results showed agreement with the field conditions,which is of important theoretical meaning to direct the prac- tice in the similar engineering. KEY WORDS steep thick seam;coal and rock movement;mechanized top-coal caving;mumerical simulation

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 1 期 大 垂直 位 移值 的点位 于 距切 眼 20 一25 m 之 间 , 验 证 了直 接 顶垮 落 的步 距 约 为 20 ~2 s m 这 一 结论 . 4 结 论 ( l) 在 综放 面 煤 壁前 方 及 后 方采 空 区 顶 板触 研 处 , 煤层 顶板 内最 大 主应 力 形 成两 个 随工 作面 不 断 前移 的动态 应 力 峰值 , 即双 峰 应 力 . 综采 支 架 上 方 控 顶 区 顶 煤 的 主应 力 随应 变 能 的耗 散 而 显 著 降低 . (2 )沿 煤层 走 向 , 由于受 采动 及 顶 板弯 曲下 沉 的 影 响 , 顶煤 及 顶板 位移 起 始于 煤 壁前 方 较远 的 位 置 . 在支 架上 方 , 顶 煤的水 平位 移 较大 : 到采面 支架 后 部位 置 附近 , 顶煤 的水 平 位 移与 垂直 位 移 都增 至 最大 值 . 沿 煤 层倾 向 , 采 场 覆 岩 的沉 降 凹 陷具 有 明显 的不 对称特 征 , 最 大 沉 降偏 向采 区 下 山 一 侧 . (3 )在 支撑 压 力作 用 下 , 支 架上 方 靠近 采 空 区 侧 的顶 煤 首先 发 生张 拉性 破 坏 . 随着 顶板 的 不断 下 沉 , 压 剪破 坏 区 不 断 向煤体 内部扩 展 . 在 煤 壁 前 方 与 支 架 上 方煤 体 内有 明显 的压 剪 楔 形 滑 移 带分 布 . 煤 壁表 层 与 支架 后 部 附近的 煤体 呈 现 出 张拉 破 坏现 象 . (4 ) 大 倾 角综 放 面 沿煤层 走 向推 进 到 距 离切 眼 约 32 m 处 , 直 接顶 离层 垮 落 , 垮落 步距 约 为 2 0一2 5 m . 在 顶 板 离层 位 移变 化 曲线 中 , 直接 顶 产 生 最 大 水 平 位 移 与 最 大 垂 直 位 移 值 的点 位 于 距 切 眼 20 一25 m 之 间 , 验证 了直接 顶 垮 落 的步 距 约 为 2 0一2 5 m 这 一 结 论 . 参 考 文 献 【l] 尹光 志 , 鲜 学福 , 待 高 飞 , 等 . 大 倾角煤层 开采 岩移 基本规 律的研究 . 岩土 工程 学报 , 2 0 1 , 21 (4 ) : 4 50 2[] 陈忠辉 , 谢 和平 , 王家 臣 . 综采放顶 煤三 维变 形 、 破坏 的数 值 分析 . 岩 石 力学与工 程学 报 , 2 0 2 , 21 (:3) 309 3[] 钱 鸣高 , 石 平五 . 矿 山压 力 与岩层 控制 . 徐 州 : 中国矿 业大 学 出版社 , 2 0 0 3 . 3 6 1 4[ 1 杨硕 . 采动 损 害空 间变形 力学 预测 . 北京 : 煤炭 工业 出版 社 , 19 9 4 5[ ] 王树 元 . 岩层 与地表 移动 预 计方法 . 北 京: 煤 炭 工业 出 版 社 , 19 8 9 [ 6 ] IJD E C Z D ( 3 . 0 ) U s已 s M a n u al l七幼 ca . M i加 e s o at : C on s u l t运g G r o - 叩 , 玩c , 19 9 6 D i s t i n e t e l e m e n t an a ly s i s o n e o a l m o v e m e n t l aw an d fa il uer m e hc an i s m du ir n g m e e h an i z e d t op 一 e o a l e va i n g in s et eP ht i e k s e am 砚咬N 6 hS u er n , 汗月刀召 五儿 ,a n , 刀通1 oY gn C iv il an d Evn ior lun e n alt E n g in e e inr g S c h o L U in v ’eIs iyt o f s c ~ an d 工戈hn o l o gy B e ij in g , B e ij in g 0 0 0 83 , C h in a A B S T RA C B y us ign I JD E C ZD te c b 山q u e , hit s p aP er an al yz ed co al an d or ck m vo em e n t l aw s , het de fo mr iat on an d ifa l uer e h a r a c t ier ist e s o f e o al an d ht e m aj or Pn n c iP a l s etr s s in het P r o ce s s o f ot P 一 e o ia e va ign in s钾e P 而 e k s e am . hT e ifa l uer m e e h耐sm o f o oal an d het m vo e m ent tr e n d o f or e k on ht e t oP 一 e o ia e a v in g w o r ik n g fac e w e r e id s e us s e d . Th e er s u lt s s h o w e d a gr e e m ent 州ht het ife ld c o n d iit osn , w hi hc is of im P 0 rt a n t ht o r e it c al m e aJ 田盯 g ot d i r e ct het p哪 - t i ce i n het s而i l ar e gn ien e ir n g . K E Y W O R D S s et eP hit ck se am ; co ia an d or ck m vo em e n t ; m ec h an i z e d t op 一 co ia c va ign ; m 切m e n c al s lm u l iat on