基于覆盖层和地表运动数值模拟的旺格维利条带开采法
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条带开采支柱
旺格维利
围岩
结构开采
数值模拟
旺格维利的条带开采技术，结合了条带开采布局和旺格维利采煤方法，是一种在表面结构下新的高效的开采技术。本文利用理论分析研究了旺格维利条带采煤工艺和数值模拟。作为一个实例，用一座煤矿的地质、采矿条件设计旺格维利带钢支柱计划，包括支持参数的条目和采矿技术。为了控制围岩并能有效管理煤矿顶层挖掘，通过数值模拟的应力场、 位移场和塑性区进行了研究。构造应力场、 位移场、 塑性区生成由旺格维利条带煤柱开采了获得。地表移动与变形也确定了挖掘完成后和其对表面结构的影响进行了分析和评价。结果表明，在表面结构下的旺格维利地带柱式采煤工艺可行。这种采矿方法可以防止损害表面结构。
1 介绍
大量的煤（约1400亿吨）离开表面结构、水体、铁路（简称“三体”）。煤矿在“三体”尤其是在表面结构已成为一个主要的矿区问题[ 1 ]。采矿的关键问题表层结构是控制覆层和表面动作[ 2 ]。目前，主要地表沉陷控制方法是条带开采、充填开采方法、房间柱采，床分离，谐波开采，注浆等[ 3 ]。旺格维利采煤法是一种高效的基于房柱式开发的短壁采煤法，并命名在澳大利亚首次成功的“旺格维利”煤层[4,5]。在这一方法中，采用了连续采煤机的房间和支柱式采煤设备。它的主要优点是灵活的面布局，可用于矿山小楔形块和那些很难被开采的采煤法。它需要更少的资本投资，短时间的生产，灵活的设备操作和面对变化和高生产力[ 6 ]。它一直在一些中国的煤矿中应用[ 7，9 ]。旺格维利采煤技术的带钢下表面结构挖掘的一个新的采煤方法。它结合了条带开采采场布局和旺格维利高效开采技术。这项技术可以充分利用两者的优点条带煤柱和旺格维利采煤方法，克服了频繁移动，低开采等缺点条带开采效率，通风条件差和煤柱长期稳定性差的问题。在本文中，该旺格维利条带开采方法被设计为王台铺矿利用数值模拟技术，研究了矿井的可行性地表沉陷预测。
2 地质和采矿条件
目前，大部分的15号煤层储量总计3亿7707万吨在王台矿位于下表面结构。为了开采煤的表面结构，该旺格维利露天采矿法。选择了一个合适的面板进行试验，并设置了表面运动监测线。试验区位于面板xv2214（东（图1）。在这一地区，煤层底板标高为 634至646米，表面高程范围从810至817.5米，平均深度约为174米。平均板长为282米，平均板宽为73.5米。煤层倾角为1，3，为1.8，平均为2.5米厚2.15米的屋顶和地面岩石的特性如表1所示。
图1 面板位置是旺格维利条带煤柱开采工作带。
3 旺格维利条带开采布局
3.1采矿计划和入口设计
xv2214（东）在王台铺矿矿面板是长壁工作面。采矿计划采用条带煤柱和旺格维利采煤方法以实现高效开采下表面结构。第一，条带柱开采的设计基于地质和采矿条件的确定。这个条带宽度为25米，柱宽为20米，第二，确定采矿工艺。并且分支进入空间与连续采煤机驱动。在条带开采中，使用了2个分支。在每一个分支进入，空间内驱动，即双分支进入单面切削。该支巷高2.5米，宽4.6米。空间宽3.3米，深8.8米，倾角为45（图2）。
3.2 巷道支护设计
分支条目是矩形的。它们被顶部螺栓和电缆螺栓的组合支撑着。空间不被支持（图3）。顶部的螺栓的直径2米长20毫米。锚定部分包括灌浆剂两种不同的类型；一个是ck2335缓效剂和其它ck2360超快的灌浆剂。该孔的直径为30毫米。
螺栓的行间距为1米，每行有4个螺栓。附近的固体煤边的电缆的行间距为3米，而附近的采矿侧为1米。从电缆到固体煤端的距离为300毫米。电缆，由高强度预应力钢绞线制成，直径15.24毫米，长6.7米。一个k2335快速锚固剂和两z2360基树脂锚固交互使用。所使用的螺栓在分支巷的直径为18毫米和1.8米长。使用了两锚固剂ck2335和钻孔直径28毫米ck2360。
图2 旺格维利条带开采布局。
图3 旺格维利方法的支护（空间入口右侧）。
3.3 表面设备
根据煤层地质条件和设备规范，采用间歇式的表面运输方式，因为它更灵活、更合适。煤炭开采过程中是“连续采煤机梭车破碎机带式输送机”。主要设备如表2所示。
3.4分支进、退开采
这个挖掘的过程包括分支进入和房式开采。
3.4.1分支条目发掘
在同一时间驱动的两个分支的条目。它包括5个步骤：煤炭切割，煤炭装载，煤炭运输，煤炭清洁和机器传输。连续采煤机前进6米/周期考虑王台铺矿地质条件。在连续采煤机割制，经营者将矿工到入口的左侧部位，中心将采用激光传感器。操作员随后提高了切割滚筒，切割向前移动到地面。切底后，切底平。第一切割完毕，矿工开始返回，这是sumping”。然后，它开始的第二个切，紧接着第一个削减，以扩大开放的设计宽度。这就是所谓的胜利块。在煤切割过程中，煤的装载过程包括三个步骤，煤落入收集头，在那里的装载机器的工作不断地向上的煤炭输送到连续采煤机的中心。传送带将煤运到连续采煤机的后部，那里的汽车行驶在垃圾场上。快门车然后将煤运到破碎机的皮带尾部。
3.4.2房柱采矿
分支进入后，可采用复式单翼模式进行回收煤柱。连续采煤机从45到分支的进入，从分支进入终点。这间房的8.8米深，宽2.5米，高3.3米，长2米，两者之间有一个相邻切割。“三个八小时轮班制”运行模式进行；生产和维修班1 2班。由12人组成的生产转移，而维修转变为9人。日平均产量为994吨。生产力为30.12吨/天，在进入发展，而每天平均产量为1275吨，生产力为38.64吨/天，在房柱内开采。
开采后，分支进入被及时两侧密封。采空区是左洞。
4 数值模拟的旺格维利条形柱采矿法
基于采矿设计和地质条件，对围岩应力分布、输入位移和塑性区分布进行了数值模拟分析。结果提供将来的开采设计和入门指南支持[10,11]。
4.1岩石力学性质
模拟的岩石力学性质见表3。
顶板岩层是升序灰岩、泥岩、灰岩、细砂岩，而底板岩层厚铝土质泥岩和灰岩。在数值模拟中，只考虑了较厚的地层，较薄的地层与相似厚的地层相结合。
4.2巷道支护参数
这两分支是由顶部螺栓和电缆螺栓连接的[ 12 ]。采用数值模拟的方法，对锚索结构及围岩进行了模拟，并对锚杆和锚索进行了模拟。支持参数如表4所示。
4.3模型边界条件
由于在输入模型的边界效应，模型尺寸为65米40米96米，它是一个平面应变model.ansys软件来构建网格，然后导入到FLAC3D计算。重力应力施加到模型的上部边界。的位移和方向是有限的模型的水平边界和方向是固定的。模型和内啮合如图4和5所示。
表3 围岩的岩石力学性质。
表4 锚杆和锚索的参数。
4.4仿真结果分析
4.4.1应力场分析
对2个模型进行了仿真，即一个分支的分录和2个分条的挖掘。采矿后的煤和岩体中的最大主应力如图6所示。图6A显示左分支进入房间是不支持开采后，最大主应力向宽煤柱在模型中心和大型不规则煤柱的中心保持稳定；图6b提出挖掘在右支进入后，小的不规则煤柱的中心是不稳定的。
4.4.2位移场分析
图7所示的一个分支进入和2个分支项挖掘的水平位移。图7a，左分支进入开采后，在两肋分支进入位移约10毫米。左侧不规则煤柱的位移约60.95 mm；如图7b所示，房间采右侧后，围岩和煤进一步增加水平位移。中心的不规则大煤柱的相对角位移基本上是对称的，但左侧稍大。因为左边的开采较早，采矿效果主要表现在左边。由于不同的开采时间，围岩的应力和位移也不是对称的。
图4数值仿真模型
图5模型内网格
图6围岩最大主应力
图7采后水平位移
图8采后塑性区
表5 地表沉陷预测参数
图9 地表沉陷等值线
4.4.3塑性区分析
应力将重新分配后，进入事态发展，并达到一个新的平衡下的支撑结构和周围的岩石。塑性区将形成于周围的岩石中。理论和实践都证明，塑性区尺寸在围岩中是进入稳定性的重要因素。图8所示的一个分支进入和2个分支进入挖掘的塑性区分布。
如图8a所示，左分支进入采矿室后，塑性区小，巷道支护是足够的；图8b，开采后在右支进入中心柱塑性细胞增加。煤柱中心区应力集中。然而，支柱中心部分的一些部分仍然完好无损，这对采矿过程中的安全管理有一定的好处。
围岩应力场、位移场和塑性区的对比分析表明，该支护结构的顶锚支护结构在一定程度上改变了围岩的应力状态，提高了周围岩石的残余强度。
5地表移动和变形的分析与预测
5.1地表移动预测参数
首先，根据上覆岩层的特点和地质采矿条件的区域，地表移动预测参数的确定在长壁开采使用，其次是基于条带开采宽度旺格维利条带开采参数测定、煤柱宽度及回收率。地表移动和变形的旺格维利条带开采预测参数如表5所示[ 13 ]。
5.2预测结果与分析
基于对旺格维利条带开采方法的预测参数、地表移动和变形进行了预测，从地表沉降、水平位移等值线图、地表坡度、地表水平变形推导和绘制。地表塌陷的轮廓图9，图9中的单位是毫米。最大表面采矿后的运动和变形如表6所示。
从表6和表中砌体结构的破坏标准，地表移动和变形的旺格维利条带开采后，小于损伤I级砌体结构。因此，该方法是可行的采矿下的结构。
6 结论
根据地质和开采条件，利用旺格维利条带开采方案设计。并确定了分支的支护参数和采矿技术。
基于数值仿真分析、应力场、位移场、塑性区旺格维利条带开采产生的影响。对采后地表移动和变形进行了预测。表面结构的损伤程度是我国砌体结构中所规定的等级。
旺格维利的条带开采技术，它结合了条带开采布局和旺格维利采煤技术，是建筑物下采煤的一种新型高效开采技术。结果表明，该方法在地表构造条件下，具有可行性。
致谢
本项目由国家自然科学基金资助项目（51374092）资助。作者承认在辛迪·s·彭博士的有益的建议和宝贵意见下写的这篇文章。
参考文献
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在深部开采条件下岩石切割的数值模拟
黄晶 张一敏 朱丽莎 王婷
关键词：
切削力
深部开采
有限元
岩石切割
1 引言
在过去的几十年中，许多测试已经完成，在国内和国外在尝试预测选择利用岩石力学性质的切削力、几何简化和一些基本假设。凯尔开发了一种自动旋转煤岩切割模拟器进行切削并计算参数对切削效果的影响。通过切削试验测量切削力，研究切削参数和钻头几何参数之间的关系。虽然切削试验提供了一个可靠的方法来估计切削力，它需要一个较长的时间和宝贵的过程。然而，理论，半经验和实证模型可以用来预测在实验情况下的切削力。到目前为止，数值模拟是一种变得容易和快速的实验方法，和在岩石破坏过程中可能会大量使用的数值方法。奥坎等人采用离散单元法（DEM）模型岩石切削试验，指出实验和理论研究之间的强相关性的建模。Wang et al.，zeuch和宇选择了有限元法（FEM）作为模型的切割问题的仿真工具。
虽然有已经出版相当数量的文献岩石切割的数值模拟，到目前为止，一直没有考虑深部开采条件的影响，因为据估计，在中国存73%的总留煤处在大于1000.18米的深处，煤炭开采在深危险的情况下，可能会出现高温，高应力，高喀斯特高压和高瓦斯浓度，将严重影响切削力。
本文的目的是用有限元法模拟深部开采条件下的岩石切削试验。为了实现这一目标，显式时间积分和LS-DYNA3D软件元素的侵蚀算法是利用模型的选择与岩石之间的影响，其结果是通过理论模型和奥坎的利用一个小的单齿切削试验台为原型，建立了与实验数据比较，初步检查是一种切割系统有限元模型。最后，讨论
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