山东科技大学工程硕士学位论文 提高上限开采方案及参数确定和安全煤柱的留设
M——采高。
*H1100l??M2.32?M?0.8±2.36={
42.0437.32 *H2100?M2.32?M?0.8±2.36={
43.52l?38.8 *H3100?M46.11l?2.32?M?0.8±2.36={
41.39 （2）垮落带高度 垮落带的计算公式为：
*H100k??M5.45?M?5.82 式中，*Hk——垮落带高度； M——采高。
*H1100k??M5.45?M?5.82±3.15={
17.63
11.33 *H2?100?M5.45?M?5.82±3.15={
19.15k12.86 *H3100k??M5.45?M?5.±3.15={
19.82
8213.62
计算结果如表3.1所示。
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3.4）
（
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表3.1 导水裂隙带及垮落带高度表
Table 3.1 the height of water flowing fractured zone and caving zone
理论公式导水
经验公式导水
理论公式垮
经验公式垮落带高度(m)
17.63 11.33 19.15 12.86 19.82 13.62
裂隙带高度(m) 裂隙带高度(m) 落带高度(m)
4m采高最大值 4m采高最小值 7.3m采高最大值 7.3m采高最小值 10.5m采高最大值 10.5m采高最小值
45.6 34.4 53.37 42.17 57.07 45.85
42.04 37.32 43.52 38.8 46.11 41.39
12.78 8.38 15.89 11.49 17.55 13.15
上标表明，4m采高时，导水裂隙带最小计算高度为37.32m；7.3m采高时，导水裂隙带最小计算高度为38.8m；10.5m采高时，导水裂隙带最小计算高度为41.39m。 3.1.2数值模拟分析
根据现场地质资料建立数值计算模型如下
图3-2数值计算模型
Figure 3.2 numerical calculation model
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模型长取40m，宽取360m，高取120m，煤厚度取已经开采的煤厚4m，7.3m，10.5m，煤层顶板厚度取中值80m，底板厚度取24m，坐标系选取煤层底板基点为原点，倾向方向为y方向，走向方向为x方向，垂直方向为z方向。上部边界条件根据上覆岩层等效荷载来施加，约为3Mp，在数值模拟过程中采用Mohr-Coulomb塑性本构模型和Mohr-Coulomb破坏准则对煤层顶板采动破坏特征进行计算，各岩层物理力学参数见表3.2。
表3.2 各岩层物理力学参数表
Table 3.2 physical and mechanical parameters of rock strata
岩石类别
弹性模量 (GPa)
泥岩 粉砂岩1 3煤 中砂岩 细砂岩 粉砂岩 泥岩1 细砂岩1 粗砂岩
0.7 0.8 0.4 3.5 1.0 0.8 1.3 1.3 4.5
粘聚力 （MPa) 0.8 1.6 0.7 2.0 1.3 1.1 2.0 1.8 3.6
内摩擦角 (°) 30 27 32 25 26 27 30 28 24
抗拉强度 （MPa） 0.9 1.1 0.6 2.0 1.1 1.0 1.5 1.4 3.2
密度 (kg/m3) 1900 2580 1600 2600 2660 2580 1900 2600 2700
3.1.2.1数值模拟结果与分析 3.1.2.1.1 垂直应力分布特征
图3.3，3.4，3.5分别为4m，7.3m，10.5m采高开采后采空区垂直应力云图
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图3.3 4m采高开采后采空区垂直应力云图 Fig. 3.3 vertical stress cloud of goaf in 4m mining area
图3.4 7.3m采高开采后采空区垂直应力云图 Fig. 3.4 vertical stress cloud of goaf in 7.3m mining area
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图3.5 10.5m采高开采后采空区垂直应力云图 Fig. 3.5 vertical stress cloud of goaf in 10.5m mining area
由图3.3-图3.5可以看出，在开切眼处及工作面的煤壁后方出现两个应力增高区，形状类似泡形，且两侧大致对称，产生两个应力增高区的原因均为开采过程中随着工作面不断推进，煤体中的应变能来不及释放，从而造成应变能的积累，最终出现了应力集中现象，采空区倾向方向应力云图发育形状和走向云图相似，但增压区范围较小，增压区的形成原因与走向方向增压区形成的原因相同。 3.1.2.2.2 塑性区分布特征
工作面顶板从上至下依次为中砂岩，中细砂岩和粉砂岩，岩层在受到剪切或拉张破坏后其完整性会遭到破坏，从而产生新的裂隙，这些新生成的裂隙与岩层原有的裂隙相互连通形成裂隙通道，工程上通常将发生塑性变形的临界高度作为确定顶板采动破坏高度的依据，图3.6，3.7，3.8分别为4m，7.3m，10.5m采高采空区走向方向上的垂直剖面塑性区发育云图：
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