ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究

以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800 m时出现最大下沉速度3.5 mm/d,最大沉陷位移为3.7 m.五龙矿311面当开采100m和400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在60°～67° 时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70°时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30 m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为5.3 m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具.     

唐山矿区构造应力场特征及其对冲击地压的影响

河北唐山矿冲击地压的发生除了受开采技术条件、煤层顶底板岩石学特征等因素影响外,主要受赋存环境的影响,其中地应力条件是一个重要的影响因素。以唐山矿构造应力分布规律为背景,对不同水平构造应力条件下回采工作面煤层及其顶底板围岩的三维场进行了数值分析,系统研究了构造应力对煤层及其顶底板围岩的冲击地压的影响。结果表明,在煤矿开采过程中,高水平构造应力对采区煤层及其顶底板围岩的应力场和能量场的分布规律具有重要影响。高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件。      

双系煤层开采相互影响下的覆岩运动与破坏规律分析

以大同矿区同忻煤矿为例,利用关键层理论、物理探测技术和数值模拟,分析双系煤层开采形成的覆岩运动与破坏规律。研究结果表明：（1）石炭二叠系煤层工作面推进至193 m时,覆岩裂隙带发育高度达到最大为174.7 m;（2）物理探测得到3-5^#煤层开采引起的覆岩垮裂带高度约为180 m,综合理论计算与现场实测,确定覆岩裂隙带发育高度与采厚之比为11.7-12.0;（3）侏罗系煤层开采引起的底板破坏及双系间覆岩软弱夹层的缺失为双系煤层采空区联通进一步提供了条件;（4）侏罗系煤层的开采影响石炭二叠系煤层工作面超前支承压力的分布规律,当石炭系煤层工作面位于侏罗系煤层遗留煤柱下方时,超前支撑压力较无采空区时增大12.4%;（5）研究成果揭示了双系开采相互影响关系,为采取安全开采措施、减弱双系开采相互影响程度提供了科学依据。     

潘二矿下向卸压开采高应力演化特征试验研究

为研究深部近距离煤层群下向卸压开采高应力演化的特征,根据潘二煤矿深部近距离煤层群8煤和6煤地质与开采技术条件,设计了下向卸压开采的二维相似材料模拟试验模型,对8煤和6煤开采引起的采动应力进行监测。系统分析了8煤下向开采与6煤开采后的采场围岩采动应力、岩层运移及不规则煤柱对采动应力演化的影响,获得了近距离煤层群8煤下向卸压开采的顶底板采动高应力演化特征及6煤回采期间覆岩运移、采动应力裂隙演化和来压特征,得出了下向卸压开采不规则煤柱对采动应力、裂隙分布的影响规律。研究不仅为以采动高应力演化为主导作用的煤岩动力灾害防治提供了理论基础,也为卸压开采采场参数设计与优化提供了技术支撑。     

基于FlAC（3D）模型的新集一矿岩溶水危险性研究

新集一矿1#煤层为矿区埋深最大的山西组煤层,太原组灰岩含水层是1#煤层开采时威胁最大的含水层。为合理评价1#煤层受太原组灰岩突水的威胁及煤层的可采性,按照煤层底板隔水层厚度、岩性组合及其力学性质,建立了FlAC3D模型。通过该数值模型对1#煤层进行模拟40m、80m、120m三次开挖,并用顶底板岩层的主应力差来反映其所处的变形阶段,分析了顶板来压前后底板的不同应力状态对突水危险性的影响,获得了开采1#煤层的顶板最大悬顶距、底板最大破坏深度等参数,认为开挖长度达到105m时,是最易突水位置,从而为后续详细勘探和工作面设计工作提供了参考。     

煤层顶底板采动破坏同步动态监测电性特征分析

随着煤炭开采深度的增加,深部复杂条件下开采的水害问题日益严重。复杂条件下煤层回采过程顶底板破坏动态监测对于工作面突水预测、采煤方法改进等具有重要意义。本文基于并行电法监测技术,结合双模式电极数据采集方式,同时在采煤工作面进行煤层顶、底板全空间地电场特征监测研究,获得了煤层围岩顶底板采动前后电阻率及自然电位同步响应特征。研究表明:顶底板跨孔电阻率监测动态变化可以显示孔间电阻率随采煤工作面逐步推进的动态变化情况,可有效表征顶底板破坏带发育范围,同时顶板垮落造成的电阻率变化程度大于底板破裂引起的电阻率变化程度;自然电位数据可分辨顶、底板岩层及裂隙张合形态、以及破裂程度,研究区域内顶板自然电位值明显高于底板自然电位值,且顶板的破裂引起的自电位变化强度明显大于底板破裂引起的自电位变化。采用多参数对煤层顶底板采动破坏进行同步动态监测,对保障采动工作面安全回采具有现实应用价值。     

西蚕寺矿区2~#煤层开采影响因素分析

通过钻探、物探、水化学测试、抽水试验等手段,在查明地层、构造及煤层顶底板工程地质条件的前提下,从地表水、煤层顶底板岩层裂隙水、奥灰岩溶水三个角度分析了宁武-静乐煤田西蚕寺矿区2#煤层开采水文地质条件,获得如下认识:导水裂隙带高度较煤层埋深有一定的差异,开采2号煤层受地表水的影响较小;煤层顶底板岩层裂隙水富水性弱,对2号煤层开采影响甚小;矿区奥灰水水头压力大,带压区煤层底板承受的水头压力在1.15~8.96 MPa,在断层带附近,会产生突水。评价的结果与方法可为相同地质条件的煤层勘查提供借鉴。     

带压开采煤层底板破坏深度理论分析及数值模拟——以陕西澄合矿区董家河煤矿5号煤层为例

随着煤矿开采深度的不断增加,带压开采已经成为深部矿井普遍应用的一种采煤方法,而带压水上采煤的关键问题之一是确定采动引起的底板破坏深度。针对董家河煤矿5号煤层开采引起的底板采动破坏深度开展相关研究,以该矿的507综采工作面开采为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的办法,动态再现了整个底板岩层渐进破坏过程,并得出底板岩层的最大破坏深度为10~11 m,该结果与现场实测结果一致;同时给出了该矿底板岩层破坏深度与工作面斜长和埋深关系的经验公式。该结论为董家河煤矿带压开采工作面煤层底板突水预测与防治提供了科学依据。      

基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究

采用相似模拟和数值模拟研究了河南义马煤田跃进矿采掘影响下巷道底板的应力及变形规律,揭示底板冲击矿压发生前的孕育过程。研究表明,巷道底板冲击受煤层埋深、顶板条件、巷道施工布置方式等多因素影响。在巨厚坚硬上覆砾岩影响下,工作面开采增加了相邻工作面的应力水平。在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤,巷道开挖后,一定范围的煤层底板中的水平应力升高,垂直应力降低,增加了煤层失稳破坏的可能性。巷道开挖卸荷过程中,底板由于没有支护,垂直位移增加,底板的塑性区范围大于两帮,并产生了明显的拉伸破坏,容易使底板成为冲击破坏突破口。      

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。      

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。      

软硬相间岩层底板变形研究

引入损伤变量ω理论,分析水平状软硬相间岩层在竖向应力下的应力-应变关系：再引用弹性模量E和岩层厚度L两个变形参数建立软硬相间岩层底板变形参数方程,得出竖向应力随着底板深度的增加而减小的规律：运用数值模拟软件,建立煤层开采模型,模拟软硬相间岩层底板在采动作用下的变形过程。通过数值分析底板在采动作用下的应力-应变关系和位移特征,发现竖向应力作用下软岩受到的水平应力比硬岩大,竖向应变也比硬岩大,而竖向应力和水平应变变化不大,认为在采动影响下软硬相间岩层底板中的软岩具有吸收更多的应变能来保护软岩下硬岩的变形特点。     

考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。      

不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律

采用数值模拟技术和现场矿压观测系统,研究了不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律及其显现特征。结果表明,在煤炭开采过程中,不同岩性顶板回采工作面最大支承应力存在一定差异,在强度较高的砂岩顶板岩体中,支承压力大,工作面前方支承压力峰值距工作面距离小,初次来压步距和周期来压步距大,矿压显现强烈;而在强度较低的泥岩顶板区,顶板岩体不能和砂岩骨架层一样抵抗覆岩压力,且支承压力小,支承压力的峰值向回采工作面前方岩体内部推移,初次来压步距和周期来压步距小,矿压显现不明显。      

近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析

为研究开采上保护层对巨厚砾岩断裂诱发冲击的防治作用,根据跃进煤矿25采区的地质条件和采掘条件,将25110工作面下巷作为研究对象,从理论上分析了动静载叠加诱发冲击矿压的机制以及开采上保护层后的防冲原理,数值模拟研究了未开采上保护时和开采上保护层后在同等强度的动载扰动应力的影响下巷道底板的位移、速度、应力以及塑性区的变化规律,进行相似模拟试验研究了人工震源的作用下未开采上保护时和开采上保护层后巷道底板的加速度和动应力响应规律。结果表明,上保护层开采后能够有效地释放围岩内部的高应力,且采空区顶板自然垮落,形成的软弱松散岩层结构,能够更好地起到对动载扰动应力波的衰减作用,从而降低了冲击矿压发生的可能,一定程度上能够较好地防治冲击矿压。研究成果对巨厚砾岩下冲击矿压的防治具有一定指导意义。