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技术

本发明专利技术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，能够将急倾斜特厚煤层开采煤岩应力场

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及煤矿开采与矿压分析
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。/>[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：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：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]步骤三、模拟急倾斜特厚煤层工作面分段开挖过程；
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]与现有技术相比，本专利技术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。本专利技术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
[0015]图1为本专利技术方法的流程图；
[0016]图2为本专利技术实施例中的数值计算三维模型图；
[0017]图中：1、煤层，2、顶板，3、底板。
[0018]图3为本专利技术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；
[0019]其中图3a为竖向应力，图3b为竖向位移，图3c为位移矢量；
[0020]图4为本专利技术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；
[0021]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
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]实施例1：
[0024]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。下面结合本专利技术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：
[0025]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。
[0026]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，首采工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种急倾斜特厚煤层工作面矿压显现规律的数值模拟方法，其特征在于，包括：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；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；步骤三、模拟急倾斜特厚煤层工作面分段开挖过程；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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李心涵，王正义，朱帛繁，赵棪，朱永恒，邱翊，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：