2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究
表 2-1 不同倾角模型特征参量
Table 2-1 Model parmeter of different angle
倾角° 10 15 20 25 30 35
模型尺寸（x×y×z）/m
345×250×300 338×250×300 328×250×300 317×250×300 303×250×300 286×250×300
单元数 172560 146530 168960 181820 162760 175320
工作面推进/m
150 150 150 150 150 150
工作面长度/m
150 150 150 150 150 150
2.3.2模拟地质条件、煤岩参数及单元划分
天安集团八矿位于平顶山矿区东部，是一座设计年产量300Mt的现代化矿井。井田内有丁5-6、戊9-10、己15、己16-17三组四层可采煤同时开采，其中己15、己16-17煤层平均间距为7m左右。井田范围内由浅部到深部，煤层由倾斜逐渐过渡到缓斜，采区内煤层实行下行式开采顺序。己15煤层概况：煤层厚度基本稳定，结构简单，半光亮型焦煤。煤厚度一般在3.0～3.6m之间，平均3.4m。煤层倾角一般在9～15°之间，煤层东西走向起伏较大，由东向西逐渐上坡。煤层顶底板情况：直接顶为砂质泥岩，距煤层顶板0.8m左右有一层0.1～0.5m的煤线，该层易随采随落。直接底为一薄层泥岩，遇水易膨胀。己16-17煤层概况：半光亮型焦煤。直接顶为己15底板，厚度7m左右。底板为细砂岩呈条带状，顶部为深色泥岩，中部夹砂质泥岩。地质柱状如图2-2。
参考同矿区同地层得到该条件下煤岩体物理参数见表2-2：
图2-2 柱状图
Fig.2-2 Histogram 3m 4m 2m 4m 2m 3m 3m 3m 9~15° 厚倾角 层10m
层厚
岩性描述
m
中粗粒砂
10
Kg/m
3
表2-2 煤岩体物理力学参数 Tab.2-2 Physical parameter
密度
K pa 9.81e9
G pa 2e9
C Mpa 5.1
Ψ ° 32
Ten
备注
Mpa 3.8
2400
9
河南理工大学工程硕士论文
细砂岩 砂质泥岩 细砂岩 砂质泥岩 己15煤层 砂质泥岩 己16-17煤层 砂质泥岩
1.8 2.8 3.0 3.0 3.4 4.3 2 5
2800 2530 2670 2600 1750 2300 1500 2400
33.9e9 2.19e9 16.7e9 4e9 3.81e8 8.8e9 3.6e8 8.3e9
25.4e9 7.84e9 16e9 2e9 3.48e8 3.5e9 1.9e6 4.2e9
28.4 0.5 14.7 5.75 0.2 8.1 0.035 7.5
48 40 39 30 31 16 25 15
18 2 6.7 3.1 0.15 2.15 0.05 2.75
在选择模型尺寸时应考虑以下两点：
1 ) 对所研究的岩体范围边界加给的载荷条件具有必要的可靠程度； 2 ) 实现解决具体的技术问题。
根据以上两点确定模型研究范围：走向300m,倾向350，高250m。各层岩性见综合柱状图2-1，岩层物理参数见表2-1：
为研究采场周围岩体范围的单元划分，将其进行分层(平行于层理面的分层)离散划分为四边形单元，过渡分层则用三角形单元。这就可以按所研究的范围得到均匀的单元网格划分：即接近工作面处用小单元，随着远离工作面则单元越来越大。岩体单元这样的离散划分尺寸，可以完全保证计算上的必要精度。
模型采用c++开发的转换程序建立，首先由ANSYS建立模型并输出由ANSYS－NWRITE、EWRITE命令导出的节点文件和单元文件，程序将其转换成*.FLAC3D格式文件,然后在FLAC3D使用impgrid导入即可。二次开发软件支持4节点四面体(Tetrahedron)、5节点五面体(Pyramid)、6节点五面体(Wedge)和6面体单元(Brick)。
转换界面如图示2-3：
图2-3 Ansys-FLAC转化界面 Fig.2-3 Ansys-FLAC interface
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2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究
转换后计算模型如图2-4：
2.4 计算的结果及分析
2.4.1 不同倾角侧向支承压力的模拟结果
工作面推进150m，选取工作面后方100m处切面进行研究，不同角度煤层模拟侧支承压力分布等值线如图2-5～2-10。
001020304050607080901004图2-4 计算模型 Fig.2-4 Calculation model
应力3集中2系数 1上侧数据下侧数据 至煤壁距离 （m）
图2-5 侧支承压力分布曲线（煤层倾角10°）
Fig 2-5 Side abutment pressure distribution curve (10°)
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河南理工大学工程硕士论文
由图2-5可知，煤层倾角10°时侧支承压力分布与近水平煤层相似，上下侧峰值至煤壁距离在同一位置，峰值大小稍有差异，但不很明显。卸压区范围上侧大于下侧。
图2-6 侧支承压力分布曲线（倾角15°）
Fig 2-6 Side abutment pressure distribution curve (15°)
00204060801001204应3力集中2系数 1上侧支承压力下侧支承压力至煤壁距离 （m） 从煤层倾角为15°的模拟结果来看，上下侧支承压力产生变化。与煤层倾角为10°时的结果相比，上下侧峰值至煤壁距离、卸压区范围都有明显减小，峰值大小没有太大变化。
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4应力3集中2系数 100204060下侧等值线上侧支承压力80100至煤壁距离 （m） 图2-7侧支承压力分布曲线(煤层倾角20°)
Fig 2-7 Side abutment pressure distribution curve (20°)
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