综放开采顶煤三维仿真模型的研究及应用

论文摘要

综合机械化放顶煤开采作为一种高产高效的采煤方法这些年在我国实践上有了长足发展,但是在指导理论上却远没有跟上实践需要,对于放煤工艺参数的确定还是依靠经验,而放煤理论特别是放煤仿真散体模型还是以金属矿的放矿理论为基础,发展并不完善。综合机械化放顶煤开采的顶煤冒放形态受很多因素影响,其中放煤口大小、顶煤厚度、放煤步距、放煤间距以及煤层倾角是主要影响因素,同时顶煤本身的性质如硬度、煤层垮落角、松散后的煤体块度大小以及工作面围岩运动情况对顶煤的冒放形态也是有影响的。本文以经典散体放矿模型为基础,结合综合机械化放顶煤的放煤工作面具体情况,提出了新的散体仿真模型,本仿真模型考虑了同层递补,空位效应,边界效应,顶煤垮落角影响;以FLAC3D原有的数值模拟及三维可视化功能为平台,采用其自带的扩展语言FISH语言编制了多个相关函数实现了这个仿真模型,并从理论和相似模拟实验上对仿真模型进行了检验。借助仿真模型,对三种不同顶煤厚度（3m、4m、6m）的综放开采作了不同采煤工艺下的放煤模拟;研究了不同煤层厚度、倾角下放煤步距、放煤间距与采出率和含矸率之间的关系,得出不同条件下的优化方案;由于三维可视化技术的使用,使工作面的采煤工艺参数选取更加的直观和科学。在仿真模拟的基础上,研究了放顶煤工作面顶煤放出前后工作面矿压分布的异同点,分析了顶煤放出形态对工作面物理参数的影响情况,得出顶煤放出前后,液压支架上方的最大垂直应力下降了25%,最大水平应力下降了25%,主应力下降了40%,覆岩破坏高度达到了原来的4倍的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究目的与意义
• 1.3 国内外现状
• 1.3.1 综放工作面的研究现状
• 1.3.2 计算机数值模拟现状
• 1.3.3 存在问题
• 1.4 课题的主要内容
• 2 综放工作面顶煤放出规律及工作面矿压分布的理论分析
• 2.1 综放工作面顶煤放出规律的理论分析
• 2.1.1 椭球体放矿理论的基本概念
• 2.1.2 综放开采松散顶煤放出的基本规律
• 2.2 综放工作面矿压分布的理论分析
• 2.2.1 综放采场支架与围岩力学系统模型
• 2.2.2 工作面矿压显现的基本规律
• 2.3 本章小结
• 3 综放工作面顶煤形态仿真模型的建立和验证
• 3.1 随机模拟模型概述
• 3.1.1 D.Jolley及其改进模型
• 3.1.2 P.Gustafsson模型
• 3.2 改进的随机模拟模型
• 3.2.1 边界条件及顶煤跨落角对放出体影响的研究
• 3.2.2 模型中空位的研究
• 3.2.3 倾角的表示研究
• 3.2.4 放出模块大小的研究
• 3.2.5 同层递补概率问题的研究
• 3.2.6 整体概率赋值上的研究
• 3.2.7 仿真方法的研究
• 3.3 用FISH语言进行三维随机模拟仿真的技术分析
• 3D的三维图形环境'>3.3.1 FLAC^3D的三维图形环境
• 3.3.2 FISH语言在FLAC中的作用
• 3D及FISH实现仿真的工作流程'>3.3.3 用FLAC^3D及FISH实现仿真的工作流程
• 3.4 三维模拟仿真模型程序的编制
• 3.4.1 放煤口位置的确定
• 3.4.2 采放比的确定
• 3.4.3 采出率的确定
• 3.4.4 随机数的产生
• 3.5 模型程序分析
• 3.5.1 模型程序的初值给定
• 3.5.2 确定放煤口大小及第一放出模块的编号
• 3.5.3 边界条件的给定
• 3.5.4 确定模块的递补概率和递补模块的坐标
• 3.5.5 调节放出块度的大小并统计采出率和含矸率
• 3D进行交互'>3.5.6 调用上述函数并与FLAC^3D进行交互
• 3.6 仿真过程中要注意的问题
• 3.6.1 递补概率赋值问题
• 3.7 放顶煤顶煤仿真效果的理论验证
• 3.7.1 放顶煤厚度模拟验证
• 3.7.2 放顶煤顶煤垮落角的模拟验证
• 3.8 仿真效果的相似模拟实验验证
• 3.9 本章小结
• 4 顶煤仿真程序的使用及仿真结果分析
• 4.1 模型应用简介
• 4.2 顶煤厚度为3m的顶煤仿真
• 4.2.1 近水平煤层顶煤仿真（倾角为零）
• 4.2.2 倾斜煤层顶煤仿真（倾角为25°）
• 4.2.3 急倾斜煤层（倾角为50°）
• 4.2.4 顶煤厚为3m的仿真分析
• 4.3 顶煤厚度为4m的顶煤仿真
• 4.3.1 近水平煤层（倾角为零）
• 4.3.2 倾斜煤层（倾角为25°）
• 4.3.3 急倾斜煤层（倾角为50°）
• 4.3.4 顶煤厚度为4m的仿真分析
• 4.4 顶煤厚度为6m的顶煤仿真
• 4.4.1 近水平煤层（倾角为零）
• 4.4.2 倾斜煤层（倾角为25°）
• 4.4.3 急倾斜煤层（倾角为50°）
• 4.4.4 顶煤厚度为6m的仿真分析
• 4.5 本章小结
• 5 仿真模型在综放工作面矿压分布数值模拟中的应用
• 5.1 数值计算模型设计
• 5.1.1 采用数值模拟计算前的理论说明
• 3D程序简介'>5.1.2 FLAC^3D程序简介
• 5.1.3 模型设计原则
• 5.1.4 确定几何模型
• 5.1.5 模拟过程
• 5.1.6 力学模型
• 5.1.7 顶煤的模拟
• 5.1.8 采空区模拟
• 5.1.9 网格的离散化
• 5.2 岩体力学参数的选取
• 5.3 工作面推进过程中围岩特性分析
• 5.3.1 顶底板塑性区域分布特性
• 5.3.2 工作面采场周围应力分布特征分析
• 5.3.3 工作面采场周围位移分布特征分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果