采场覆岩运动仿真系统

1 前 言

不能够根据具体的地质条件进行针对性的开采设计，特别是在采场推进过程中对上覆岩层运动规律及支承压力分布规律认识不清，是当前煤矿事故频繁，特别是重大事故和环境灾害没有能从根本上得到控制的重要原因之一。

理论研究和生产实践证明，煤矿各类重大事故几乎都与覆岩运动破坏和应力大小及分布有关。如果破坏拱高沟通上部含水层和地表河流、湖泊等水源，透水淹井事故就不可避免。显然，在由工作面长度所决定的破坏拱高未波及地表的情况下，地表沉陷值将取决于煤层的压缩和破坏拱上缓沉带的沉降，与拱内冒落带和导水裂隙带的沉降和压实没有直接的联系；相反破坏拱通达地表（裂隙带扩展到地面），地表沉陷将是煤体压缩和冒落带及导水裂隙带的压缩的总和。如果在上覆岩层已经稳定的内应力场中开掘和维护巷道，煤层承受的支承压力很小，煤体中的应力很低，原始构造应力和富集于煤体的瓦斯基本释放。因此，冲击地压、瓦斯煤层突出等重大事故以及高的巷道支护和维护费用都可以避免。煤尘瓦斯爆炸事故在正常的通风系统条件下也不会发生。相反，如果在外应力场的应力高峰区开掘和维护巷道，只要所采煤层具备产生相关事故的条件，上述相关事故则不可避免。在工作面推进过程中，如果遇到较大的断层把老顶岩梁切割就会使老顶岩梁失去向前方煤壁或（和）采空区矸石上传递力的联系，采场支架受力会突然增大，造成安全阀开启和活柱下缩，严重时会压死支架。

因此，掌握采场覆岩运动和应力场发展变化的规律，了解各类事故灾害与采场覆岩运动破坏和应力场大小分布间的关系，是安全高效开采决策的基础和前提。鉴于此，在完善与掌握以采场上覆岩层运动和应力场应力大小分布为核心的煤矿安全高效开采决策理论基础上，开发了一套能够预测采场矿压显现规律，特别是能够预测某些特殊区段可能发生的矿压异常现象，进而能够作出具有针对性的安全开采决策的《采场覆岩运动仿真系统》。

2采场上覆岩层运动的基本规律

经过长期的工程实践和理论研究，对采场上覆岩层运动的基本规律已经有了较为系统的研究，取得了丰富的成果。……   ……

3采场覆岩运动仿真系统

在上述研究工作的基础上，采用VisualBasic语言，开发了《采场覆岩运动仿真系统》。VisualBasic语言在绘图［4］及WindowsAPI［3］扩展等方面具有较强的优势。该系统在用户输入采场地质及开采参数后，可以自动预计采场上覆岩层“三带”的厚度（范围），计算顶板岩梁的运动步距。既可以显示用户任意指定的采场推进距离时的上覆岩层运动情况，也可以按照一定的推进步距自动演示（模拟）采场推进过程中上覆岩层运动的全过程。

系统需要下列基础数据：

（1）采场顶板柱状图数据

需要输入工作面底板、煤层和顶板（一直到地表）的柱状信息。每层岩层需要输入的信息有：厚度(m),单向抗压强度(Mpa),容重（kN/m3）分层厚度(m)，裂隙间距(m)。容重、分层厚度和裂隙间距不输入，系统可按经验值计算。

（2）工作面生产数据

工作面长度，工作面的采高，工作面走向长度，工作面煤层倾角。

（3）其他数据

裂隙带放大系数，煤层放大系数，支承压力放大系数，缓沉带放大系数，后方煤柱宽度。

某采场仿真基础数据如下：

（1）顶板岩层数据

L,特硬岩层,440,88,,,,

            L,特硬岩层,22,70,,,,

L,石灰岩,12,55,,,,

L,一般岩层,6,40,,,,

L,开采层(煤),2,8,,,,

L,一般岩层,5,24,,,,

（2）工作面生产数据

    工作面长度：150m，工作面采高：2m，工作面走向长度：1500m，工作面煤层倾角：120。

    系统首先推断顶板运动参数如下：

              　　直接顶厚度：6m；

              　　直接顶初垮步距：20m；

              　　老顶厚度：6m；

              　　老顶初次运动步距：32m；

              　　老顶周期来压步距：10m。

图 1 模型推进到18m

Fig.1 Model with advancement of 18m

图2模型推进到25m

Fig.2 Model with advancement of 25m

图 3模型推进到44m

Fig.3 Model with advancement of 44m

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