典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l .45 No .12 Dec .2019 文章编号1671-251X2019 12-0050-04DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 2019060026 典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究 张少华，张玉臣，刘一鸣 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室％江苏 徐州221116 扫码移动阅读 摘要针对目前对煤层支承压力的研究大多基于工作面上覆岩层结构均化处理展开，未充分考虑其内在 结构影响的问题，基于岩层控制关键层理论，通过改变关键层位置、厚度等，对典型关键层结构下覆岩采动应 力分布规律进行了数值模拟研究研究结果表明随着关键层与煤层间距增大，工作面超前支承压力峰值逐 渐减小，关键层下方软岩层超前支承压力峰值先减小后趋于稳定，关键层上方软岩层超前支承压力峰值先增 大后趋于稳定，应力集中区域范围减小；随着关键层厚度增大，工作面超前支承压力峰值先增大后趋于稳定 上覆岩层超前支承压力峰值逐渐增大，应力集中区域范围增大 关键词围岩稳定性；岩层控制；上覆岩层；采动应力；关键层；关键层结构；关键层位置；关键层厚度 中图分类号TD322 文献标志码A Rese a r c h o n min in g st r es sd ist r ibut io n l a w o f o v e r bur d en un d er t y pic a l key st r a t a st r uc t ur e ZHANG Sh a o h ua , ZHANG Yuc h en , LIU Yimin g St a t e Key La bo r a t o r y o f Co a l Reso ur c es a n d Sa f e Min in g , Ch in a Un iv er sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y , Xuzh o u 221116, Ch in a Abstract Mo st r esea r c h es o n c o a l -sea m a but men t pr essur e a r e c a r r ied o ut ba sed o n h o mo g en izin g o v er bur d e n st r uc t ur eo f w o r kin g f a c e a t pr esen t ,w h il e in f l uen c eo f in t e r n a l st r uc t ur eo f t h eo v e r bur d en is n o t f uly c o n sid er e d .Fo r t h ea b o v epr o bl e ms,ba se d o n ke y st r a t a t h e o r y o f g r o un d c o n t r o l ,min in g s t r e ss d ist r ibut io n l a w o f o v er bur d en un d e r t y pic a l ke y st r a t a st r uc t ur ew a sr e sea r c h ed usin g n umer ic a l simul a t io n t h r o ug h c h a n g in g l o c a t io n a n d t h ic kn ess o f key s t r a t a .Th e r e s e a r c h r es ul t ssh o w t h a t w it h d ist a n c e in c r ea se bet w een key st r a t a a n d c o a l -sea m,a d v a n c e a but men t pr essur e pea k v a l ue in w o r kin g f a c e d ec r ea s esg r a d ualy ,t h e pea kv a l uein so f t r o c kun d er key st r a t a d ec r ea s esf ir st l y t h en be c o me sst a bl e,t h e pea k v a l uein s o f t r o c k o v er key st r a t a in c r ea ses f ir st l y t h e n bec o mes s t a b l e ,a n d r a n g e o f st r ess c o n c en t r a t io n a r ea d ec r ea ses. Wit h in c r ea se o f key s t r a t a t h ic kn e s s ,t h e pea k v a l uein w o r kin g f a c e in c r e a se sf ir st l y t h en b ec o me sst a bl e ,t h e pea kv a l uein o v e r bur d en in c r ea sesg r a d ualy ,a n d r a n g e o f s t r e s s c o n c en t r a t io n a r ea in c r ea ses. Keywordsst a bil it y o f sur r o un d in g r o c k;g r o un d c o n t r o l ;o v er bur d e n ;min in g st r ess;ke y st r a t a ;key st r a t a st r uc t ur e;ke y st r a t a l o c a t io n ;key st r a t a t h ic kn ess 0引言 煤矿生产过程中巷道开挖、煤层开采等会破坏 原岩应力状态，引起煤岩体应力重新分布，形成新的 采动应力场。在煤层前方形成新的支承压力分布 区，该区域内会出现应力集中，当集中应力超过煤岩 体强度时会出现塑性区与破坏区，可能引发巷道冒 顶、煤层压架、冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害14。 收稿日期收稿日期2019-06-11；修回日期修回日期2019-11-25； ；责任编辑李明责任编辑李明. 基金项目基金项目煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题SKLCRSM19X003;国家级大学生创新训练项目201610290088. 作者简介作者简介张少华1964-， ，男，江苏南通人，高级实验师，主要研究方向为岩石力学测试， ，E-ma ilzsh 883311163. c o m. 引用格式张引用格式张少华，张玉臣，刘一D.典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究工矿自动化2019,451250-53. ZHANG Sh a o h ua，ZHANG Yuc h en，LIU Yimin g 8Resea r c h o n min in g s t r es sd is t r ibut io n l a w o f o v er bur d en un d er t y pic a l key s t r a t a st r uc t ur e]J. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n , 2019,4512 50-53. 2019 12 张少华等典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究 ・51・ 岩采动应力 分布上有一定范围，随开采活 动 行与 移不断变化。只有充分了解覆 岩采动应力分布特征与演化规律（5-7], 对围岩稳 定性、变形与 行有效分析，进而提出合理的冒 、冲击地压等灾害防 。 钱鸣高等⑻提 煤系地层的分层特性差 异，各岩层在岩体活动中 不同较为坚 I厚 岩层 动中起控制 , 主体与骨架作 用；较 岩层 动中 ，自重 大部分由坚 岩层承担担。 岩体活动中起 主要控制作用的岩层 层，并提出采动岩体 中 层理论是解开岩体运动全过程 科学 法和途径。部分学者研究了 层结构对覆岩采 动应力分布规律的影响，基于岩层控制 层理论, 通过相似 模拟实验及UDEC,FLAC数值模拟 计算13），对岩层移动模拟研究中 行 了探讨,并研究了 层对覆岩 移动的控制 和 层 块度对 移曲线形态的影 响「14「15）。 有研究大多基于工 岩层结 均 理而展开，未充分考虑 结构对覆 岩采动应力分布特征的影响。本文 有研究基础 ，采用UDEC数值模拟方法，通过改变 层位 ，分析典型 层结 采动应力分布规 律。 了 研 究， 本 文 考 虑 岩 层 1层 层的情况。 1煤层开采数值模拟模型煤层开采数值模拟模型 为了对覆岩采动应力分布进行定量分析，建立 煤层 开 采 值 模 拟 模 型， 图 1 所 。 模 型 高 200 m,煤层 岩层中只有1层坚硬岩层（（t t 层），各岩层力学特性 1。 层通 有 层较 性， 值模拟 中 不对 层进行划块处理。另外 层还具有弹性模量较 大、强度较高等岩性特性。模型左右 平方向 固定，底边界垂直方向固定，顶界面不施加额外 。 Numer ic a l simul a t io n mo d el o f c o a l -sea m min in gFig .1 表1煤层开采数值模拟模型中各岩层力学特性参数 Ta bl e1 Mec h a n ic a l pr o per t iepa r a me t er o f e a c h r o c k-ea min n ume r ic a l imul a t io n mo d el o f c o a l -ea m min in g 岩层 密度/ kg ・ m-3 内摩擦角/ （） 黏聚力/ MP a 剪切模量/ GP a 体积模量/ GP a 抗拉强度/ MP a 节理法向刚度/ GP a 节理 向刚 / GP a 层 25004543.047.075.025.035.01.80 岩层 2500302.54.57.51.32.10.18 煤层 1400282.23.55.01.01.30.10 底板 2500302.54.57.51.32.10.18 2数值模拟结果及分析数值模拟结果及分析 2. 1 关键层位置不同时覆岩采动应力分布 设置煤层厚度为3 m,关键层 20 m,关 键层与煤层间距分别为18,24,30,36,45 m。在模 型 层、关键层 岩层、关键层下方软岩层中 布 应力测线，煤层 分开采后，关键层位 不同 压力峰值曲线如图2所示，部分 覆岩采动应力分布云图如图3所示。 从图2可看出，在采深 层结构不变的条 件下, 层与煤层 大，工 压力峰值 小，关键层 岩层 压 力峰值 小后趋于稳定，关键层 岩层 I 压力峰值先增大后趋于稳定。图3中虚线框内 应力集中 ，可看 层与煤层 大 a工 | （b 层 岩层 20 25 30 35 4（ 关键层距煤层距离/m 4545 c 层 岩层 图2关键层位置不同时超前支承压力峰值曲线 Fig 2 P ea kv a l uec ur v eso f a d v a n c ea b ut men t pr e s s ur e un d e r d ifer e n t key st r a t a l o c a t io n s ・・52・ ・工矿自动化 45 ，应力集中 范围相应减小o 眾回一哑跌卯呗跑 50 应力/MPa 醛 I 28 ■ -24 -20 -16 I 12 I 30 20 10 吕、迢叵啤蟆申映 40 b关键层距煤层45 m 0 1 800 1 810 1 820 1 830 1 840 1 850 工作面位置/m 图 3 层 不 同 岩采动应力分 布 图 Fig 3 Min in g st r ess d ist r ibut io n n eph o g r a m o f o v er bur d en un d e r d ifer e n t key st r a t a l o c a t io n s 2. 2 关键层厚度不同时覆岩采动应力分布 保持煤层开采数值模拟模型中 层以下煤岩 层结构不变，煤层 3 m,关键层与煤层 ［为 15 m,关键层厚度分别为12,18,24,30 m。在关键 层、关键层 岩层、关键层下方软岩层中布 条应力测线，煤层 分开采后，关键层 不同 压力峰值曲线如图4所示，部分覆岩采 动应力分布云图如图5所示 从图4可看出, , 岩层原岩应力场不变的 条件下, , 层 大， ，工 压力 峰值 大, , 层 24m8倍采高 长拐点，之后趋于稳定；上覆岩层 压力峰值均 大。。从图5可看出, , 层厚 大 ， ， 应力集中 范围 相 应 大 ， ， 影 响高 层 岩层 o 3结论结论 1通过改变关键层位置、厚度，对典型关键层 结构下覆岩采动应力分布规律进行了数值模拟研 究o结果 层与煤层 大,工作面 压力 峰 值 小 ， 层 岩 层 压力 峰 值 小 趋 稳 定 ， 层 岩层 压力峰值 大后趋于稳定，应力集 edw、赳 W Z W Z 岀販帜 10 15 20 25 30 关键层厚度/m 10 15 20 25 30 关键层厚度/m b 层 岩层a工作面 赳 W -R W -R 田師帜 c 层 岩层 图4关键层厚度不同时超前支承压力峰值曲线 Fig . 4 P ea k v a l ue c ur v es o f a d v a n c e a but men t pr e ssur e un d e r d ifer en t ke st r a t a t h ic kn ess 1 800 1 810 1 820 1 830 1 840 1 850 工作面位置/m 5 20 2 关键层厚度/m 日、遛叵噪蟆塀映 a 层 12 m b 层 30 m 图5关键层厚度不同时覆岩采动应力分布云图 Fig 5 Min in g s t r ess d ist r ibut io n n e ph o g r a m o f o v er bur d en un d e r d ifer en t key st r a t a t h ic kn ess 中区域范围减小 层厚度增大，工作面超前 压力峰值 大后趋于稳定，上覆岩层超前支 压力峰值 大，应力集中区域范围增大。 。 2本文只考虑了 层的情况，实际生 产中上覆岩层 层, 层结 对覆岩采动应力分布的影响 ，需要 步 研究。 。 2019 12 张少华等典型关键层结构下覆岩采动应力分布规律研究・53・ 参考文献References 1 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M. 徐州中国矿业大学出版社，2010. 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