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