大同矿区“三硬”煤层冲击地压发生机理研究.pdf

太原理工大学博士研 究生学位论文 一 定 的合 理 性 和 可 靠 性 ，片 面 注 重 巷 道 的 局 部 治 理 治 顶 不 治 帮 或 治 帮 不 治 顶 ， 而 忽 视 了顶 、帮 及 底 板 是 一 个 整 体 结 构 的 重 要 性 。 综 上 所 述 ，冲 击 地 压 的 发 生 是 由 内 因 与 外 因 共 同作 用 的 结 果 。对 于 冲 击 地 压 而 言 ， 内 因就 是 冲 击 地 压 煤 层 具 有 储 存 大 量 弹 性 能 ，并 突 然 释 放 的 能 力 ; 外 因 是 就 所 有 能 给煤层 提 供 大量弹 性 能积 聚 的 因素 以及 诱 发 因素 ，包 括 自然 地 质 条 件 和 人 为 的生 产 技 术 条 件 两 个 方 面 的 因 素 。 自然 地 质 条 件 包 括 围 岩 性 质 、 开 采 深 度 、 地 质 构 造 等 ，生 产 技 术 条件 包 括 开采 方 法 、遗 留煤 柱 、顶 板 管 理 方 法 及 放 炮 等 诱 发 因 素 。大 同矿 区特 有 的 “ 三 硬 ”煤 层 条 件 及 其 采 煤 方 法 等 因 素 ，都 有 利 于 冲 击 地 压 的 发 生 。 4 .4 本 章 小结 1在 调 研 的基 础 上 ，认 为 大 同矿 区 冲 击 地 压 除 了具 有 冲 击 地 压 的一 般 特 征突 发 性 、 多 样 性 、复 杂 性 、破 坏 性 外 ， 带 有 鲜 明 的 大 同特 色 ， 即三 硬 、 浅 埋 、 下 分 层 开 采 时 巷 道 发 生 冲 击 大 于 上 分 层 开 采 时等 。 2根据 大 同矿 区冲 击 地 压 显 现 特 征 ，把 大 同矿 区冲 击 地 压 分 为 四种 基 本 类 型 两 帮 煤 层 冲 击 、底 板 冲 击 、 两 帮 及 底 板 冲 击 和 小 块 状 弹 射 。 3研 究 了冲 击 地 压 的 影 响 因 素 ， 卞 要 包 括 自然 地 质 条 件 和 开 采 技 术 条 件 两 大 方 面 的 因 素 ，分 析 大 同矿 区 以往 所 发 生 的 冲 击 地 压 可 知 ，这 些 冲 击 地 压 之 所 以 发 生 往 往 是 受 着 两 方 面 的 因 素 影 响 造 成 的 。 太 原理工大学博士研 究生学位论文 第五章大同矿 区冲击地压机理的研究 冲 击 地 压 发 生 的物 理 过 程 ，主 要 是 说 明煤 、岩 介 质 变 形 破 坏 的力 学 过 程 ，称 为 冲 击 地 压 的机 理 。只 有 在 搞 清 机 理 的基 础 上 ，才 能 正 确 认 识 它 的成 因 ，建 立 判 别 发 生 的 准 则 ，提 出防 治 原 理 和 制 定 出有 效 的 防 治 措 施 。本 文 主 要 对 大 同矿 区 几 种 冲 击 地 压 类 型 进 行 了分 析 和 研 究 。 5.1 采 准 巷 道 两 帮 冲 击 现 象 的 分 析 采 准 巷 道 两 帮 冲 击 主 要 由 以下 原 因 引起 1 采 煤 方 法 大 部 分 冲 击 地 压 都 发 生 在 三 面 采 空 孤 岛或 半 岛 开 采 区 域 中 。由于 开 采 布 局 和 施 工 顺 序 不 合 理 ，形 成 很 多 煤 柱 ，在 煤 柱 中 开 采 ，工 作 面 前 方 的 回风 平 巷 、运 输 平 巷 不 仅 受 到 本 工 作 面 超 前 支 承 压 力 的 影 响 ，还 要 承 受 相 邻 采 空 区支 承 压 力 的 叠 加 影 响 。这 样 ，在 巷 道 两 侧 煤 体 内形 成 高 应 力 区 ， 当应 力 超 过 煤 体 本 身 强 度 时 ， 就 会 发 生 因 弹 性 能 突 然 释 放 造 成 冲 击 地 压 。 不 合 理 的 开采 技 术 也 是 造 成 高应 力 集 中 的 主 要 原 因 。 上 部 煤 层 开 采 过 程 中 形 成 的残 留煤 柱 ，又 给 下 部 煤 层 开采 构 成 了新 的 附加 应 力 。在 开 采 过 程 中 ，工 作 面 两 巷 冲 击 地 压 频 繁 发 生 ，在 过 煤 柱 期 间 尤 为 严 重 ，但 在 回采 工 作 面 却 很 少 发 生 冲 击 地 压 。 2 煤 体 应 力 分 布 规 律 冲 击 地 压 的发 生 过 程 为 煤 岩 体 在 三 向高 应 力 状 态 下 ， 已接 近 极 限平 衡 状 态 ， 在 支 承 压 力 作 用 下 ，煤 体 边 缘 发 生 破 坏 ，形 成 减 压 区 ， 由此 向煤 壁 深 部 ， 形 成 一 定 宽度 的增 压 区 。增 压 区 的煤 体 被 压 缩 ，应 力 升 高 ，积 聚 的弹 性 能进 一 步 增 加 ， 当 煤 岩 体 的应 力 超 过 其 极 限 强 度 时 ，造 成 瞬 间大 量 弹 性 能 突 然 释 放 ，把 煤 体 抛 射 向 空 间 。可 以看 出 ，在 煤 岩 物 理 力 学 性 质 相 同 的 条 件 下 ，冲 击 地 压 首 先 在 高 应 力 区 域 发 生 。 在 工 作 面 前 方 的 两 巷 中 ，由于 巷 道 支 架 处 于 “ 被 动 支 护 ”状 态 ，且 支 护 强 度 也 比较 低 ，造 成 巷 道 两 侧 支 承 压 力 峰 值 临 近 煤 壁 ，减 压 区 的范 围 小 。 79 太 原理工大学博士研究生学位 论文 再 从 冲 击 地 压 距 煤 壁 的 深 度 来 分 析 ，可 分 为 深 部 冲 击 和 浅 部 冲 击 。发 生 较 强 烈 冲 击 地 压 ，特 别 是形 成 抛 射 冲 击 的一个 充 分 条 件 是 冲 击 弹 性 能要 大 于 抛 射 煤 体 内部 之 间和 顶 、底 板 之 间 的 力 和 摩 擦 力 。 由此 可 见 ，如 果 应 力 高 峰 点 在 煤 壁 深 部 ， 由于 煤 体 内 部 及 煤 岩 之 间 摩 擦 阻 力 较 大 ，难 以形 成 抛 射 性 冲 击 ，而 以 震 动 或 声 响 的形 式 发 生 ，对 本 煤 层 采 掘 空 间危 害较 小 。当应 力 高 峰值 在煤壁 浅 部 ，则 冲 击 源 距 煤 壁 较 近 ，煤 体 易 被 破 坏 ， 同 时 煤 体 与 围 岩 交 界 处 阻 力 较 小 ， 易 于 发 生 抛 射 性 冲 击 ，象 浅 源 地 震 一 样 ，危 害 较 大 。 综 上 所 述 ，由于 采 准 巷 道 应 力 高 峰 点 临近 煤 壁 ，是 巷 道 冲 击 地 压 发 生 较 多 并 且 破 坏 严 重 的 一 个 重 要 原 因 。 3支 护 强度 及 采 动 影 响 回 采 1 作 面 使 用 的 具 有 “主 动 支 护 ”性 能 的 液 压 支 架 ，初 撑 力 及 工 作 阻 力 都 较 高 ，支 护 强 度 可 达 到 0.35MPa 以上 ，这 对 于 维 护 工 作 面 的安 全 是 必 要 的 ，如 前 所 述 ，高 支 护 强 度 可 以使 煤 壁 前 方 支 承 压 力 峰 值 内移 ，减 少 了工 作 面 发 生 煤 层 抛 射 性 冲 击 的 可 能 。 另 外 ，工 作 面 煤 体 内应 力 受 工 序 动 态 影 响 较 大 ，如 割 煤 、移 架 、支 柱 、回 柱 、 超 前 支 护 等 ，这 些 工 序 的 影 响 ，其 时 间 、 空 间 、 强 度 不 断 变 化 ，可 能 对 煤 体 应 力 产 生 触 发 作 用 ，致 使 工 作 面 前 方 煤 体 应 力 有 时未 能积 聚 到 大 量 弹性 能 ，便 被 触 发 以 小 煤 炮 的 形 式 得 以释 放 ，从 而 不 易 形 成 强 大 冲 击 。如 同 震 动 爆 破 和 大 直 径 钻 孔 卸 压 能 防 治 冲 击 地 压 一 样 ，可 以认 为 ，采 煤 工 序 的 影 响对 于 煤 体 内弹 性 能 的积 聚 有 干 扰 和 释 放 作 用 。 在 支 承 压 力 和 采 动 影 响 的作 用 下 ， 工 作 面 前 方 的 顶 板 和 煤 体 极 易 产 生 节 理 、 裂 隙 ，也 使 煤 体 内弹 性 能 得 到 一 定 程 度 的释 放 。 相 比之 下 ，采 准 巷 道 两 侧 煤 体 应 力 受 工 序 触 发 因 素 较 少 ，在 持 续 而 稳 定 增 长 的支 承 压 力 作 用 下 ，煤 体 内弹 性 能 易 于 积 聚 而 很 少 释 放 ，一 旦 超 过 煤 体 本 身 极 限 强 度 时 ，便 以猛 烈 的 方 式 突 然 释 放 ，造 成 破 坏 性 冲 击 。 通 过 以上 分 析 可 以认 为 ，在 具 有 冲 击 倾 向性 煤 层 中 开 采 ，采 准 巷 道 发 生 冲 击 地 压 的危 险性 要 高 于 工 作 面 本 身 ，也 正 因 为巷 道 支 护 强度 较 薄 弱 ，造 成 的破 坏 程 度 也 严 重 的 多 。其 显 现 特 征 是 大 量 煤 块 从 巷 道 一 侧 瞬 间抛 射 出 ，底 板 鼓 起 ，支 太原理工大学 博士研究生学位 论文 架 折 断 导 致 巷 道 冒顶 ，损 坏 设 备 造 成 重 大 损 失 。据 统 计 ，大 同矿 区 因冲 击 地 压 造 成 的伤 亡 均 发 生 在 回采 巷 道 中 。 5.2对 煤 壁 与 顶 板 之 间形 成 离 层 现 象 的分 析 根 据 煤体 夹 持 理 论 〔 l] ，开采 深 度 愈 大 ，或 煤 柱 周 围 的采 空 区范 围愈 大 ，岩 层 压 力 加 大 ，极 限 临界 区 宽度 就 愈 大 ，支 承 压力 峰 值 也 愈 大 。煤 层 厚度 的变 化 造 成 顶底 板 岩 层 不 平 整 ， 以及 顶 板 的弯 曲下沉 ，都 有 利 于 持 续 的夹 持 作用 。从 而 在 夹 持 带 后 方 的岩 层 内就 能 积 聚 巨大 的压 力 和 能量 。这 种 夹 持 情 况 将 会 造 成 冲 击 地 压 危 险 。不 过 ， 实 际上 的 煤 层 不 可 能全 部 同 时达 到 夹 持 下 的 极 限平 衡 状 态如 图 5 一 1 。在 煤 壁 附近 的煤 体 已经 破 裂 ，但 可 能在 顶 板 弯 曲下 沉 时又 被 压 实 图 5 一 1 中 A 区 。只 有 在 夹 持 区才 可 能 达 到 极 限平 衡 条 件 图 5 一 1 中 B 区 。此 区 煤 层 虽 然 已经 出 现 微 破 裂形 成 包 体 但 强度 仍 未 降低 ，仍 被 顶 底 板 牢 固 的夹 持 着 。在 支 承 压 力 峰值 后 方 的深 部 煤 层 仍 然 处 于 弹 性 状 态图 5 一 1 中 C 区 。 当 内压 力 超 过 边 缘 煤 壁 上 的 阻 力 值 时 ，卸 载 区 A区 将 向采 空 区方 向移 动 。这 种 移 动 可 能 是 煤 层 分层 之 间 的滑 动 ， 也 可 能 是沿 天 然 或 新 生 裂 隙面 的移 动 。A 区 的 压 出使 得 B 区 的 部 分 或 全 部 围岩 阻 力 迅 速 降低 ， 为 B 区提 供 了急 剧 破 坏 的 条 件 ， 煤 层 和 围岩 中积 聚 的弹 性 能 转 化 为 动 能 ，又促 进 了 A 区 的压 出 。在 压 力 足 以使 A 区不 断 压 出 的条 件 下 ，必 将 引起 B 区 的加 速 破 坏 。当 B 区 中应 力 状态 变 化 速 度 超 过 其 应 力 松 弛 速 度 时 ，B 区 中急 剧 破 坏 过 程 发 展 为 冲 击 地 压 。如 果 B 区 的 破 坏 范 围不 大 ，则 显 现 为 常 见 的 小 煤 炮微 冲 击 。在 B 区煤 层 急 剧 破 坏 的瞬 间 ， 由于 原 处 于 压 缩 状 态 的 围岩 发 生 体 积 膨 胀 ，并 产 生 震 动 ，造 成 顶 板 的 瞬 间靠 拢 ，使 煤 层 和 围岩 交 界 处 的煤 被 破 碎 成 粉 状 。煤粉 反过 来 又 使交 界 处 摩 擦 力急剧 降 低 。致 使 煤 层 边 缘 区进 一步压 出和 粉 碎 。由于 围岩震 动 的惯 性 造 成 煤 层 的压 缩 量 比顶 板 实 际 的 下 沉 量 为 大 。 因 此 冲 击 地 压 发 生 后 ，往 往 在 煤 层 和 顶 板 之 间 形 成 一 个 高 0.2一 0.sm ，深 lm 至 几 米 的裂 缝如 图 5一2。 太原理工大 学 博士 不 丝 兰 鱼 丝 尸 尸尸 尸 尸 尸、 . .. 邀 邀 叠趣磁 磁 1里 11】 1」 - 1里 里丫 里 11了 j一， 一 t tt 甲 甲 甲城 气爪 爪 效效撇欢豁蒸 蒸 拜 拜 羹 鱼簇 簇l 鬓篡黝 黝 图 5 一1煤层极 限平衡状 态示意图 F 19 . 5 一 1 D ia g ram o f limit e q u ilib riu m state o f c o a l se am 煤 峪 口矿 11抹 、12样 层 307 盘 区 同家 梁 矿 11层 311 盘 区 ，忻 州 窑 矿 12一 1 西 一 层 盘 区 等 均 出现 煤 壁 整 体 向外 推 移，煤壁 与顶 板 之 间形 成 离 层 等 现 象 。究 其 原 因 ，就 是 这 些 区 域 随着 采 空 区 面 积 的 不 断 扩 大，在巷 道 周 围 的煤 柱 上 形成 很 高 ，在 煤 壁 与顶 板 之 的支 承 压 力 间 形 成 离 层 造 成 对 煤 层 的 夹 持 作 用 ，从 而 在 引起 冲 击 地 压 后 厚层砂 岩顶 板 巨三 习 醒 夔 粉煤带 破碎 带 区三{ 移动方 向 图 5 一2煤体移动造成的粉煤带和破碎带 F ig . 5 一 2 P u lv e riz e d z o n e an d f ra e tu re z o n e c au se d b y th e m o V emen t o f c o a l 太原理工大学博士研 究生学位 论文 5.3 煤 壁整体 向外推 移机 理 的研 究 5. 3.1 受 力状 态 分 析 模 型 的建 立 根 据 杨 双 锁 博 士 〔 12 3 ]对 “ 两 帮 较 软 弱 时 回采 巷 道 矿 压 特 征 ” 的分 析 ，认 为 两 帮 受 力 状 态 可 由图 5一 3 所 示模 型 表 示 。岩 性 较 顶 、底 板 软 弱 ，且 两 帮 与 顶 、底 间 的层 间粘 结 强度 较 低 时 ，易发 生 两 帮 煤 体 沿 层 理 向巷 道 空 间挤 出的现 象 。根 据 图 5一 3 所 示应 力 状 态 下 的极 限平 衡 分 析 可 得 ，两 帮 与顶 底 板 间 的层 间粘 结 力 丧 失 后 ， 两 帮 中 的极 限应 力 状 态 为 、 | 卜| 1 .， J . l 一 竺 里 些 竺兰 八_Dl 一 sln 尹 了 。l一 51 。 沪 盯沈 Ux一 l、 C二 甲下 一下 、 匕 l 5111尹 5一 1 丝呈 些些 丝 _01 一 sln 尹 万一si n沪 对丈 l 、e匕 1 si n 必 式 中R 厂 两 帮 煤 体 的单 向抗 压 强度 ; f 一 层 间摩 擦 系 数 ; M一 巷 道 高度 ; 中一 两 帮 煤 体 的 内摩 擦 角 。 Q vd x 匕 {{{ X一oc dx 十 从 dX 。 c d ‘ 也 d x Q vd x 图 5一 3两帮极限应力状态分析 F ig .5 一 3 An aly sis o f lim it stress state in the ri b s 太 原理工 大学 博士研 究生学位 论文 塑 性 区弹性 区 图 5一 4两帮垂直应力分布 F igs 一 4 V e r t ieal stress d istr i b u tion in t he r i b s 在 塑 性 区 内 如 图 5一 4 所 示 随着 向煤 壁 深 部 发 展 ，由于 垂 直 应 力 由垂 直 应 力 。， 引 起 的 水 平 应 力 入 Q 。， 是 一 个 急 剧 增 大 的 量 ， y也 是 一 个 急 剧 增 大 的 量 。 在 与 巷 道 方 向垂 直 的 水 平 构 造 应 力 为 。， ，假 设 顶 、底 板 的岩 性 相 同 ，根 据 图 2 可 知 ， 厚 度 为 dx 的 煤 体 所 受 水 平 方 向 的合 力 为 p l M o 。 入 o ， 2 一2 0 。 dx 一2 f o ， dx 一fMrdx 一M 入 o ， ，5一 2 式 中 。厂 底 板 岩 层 与 煤 层 间 的 抗 剪 切 强 度 。 r一 煤 层 容 重 。 即 p， M 入 o ， 2一 o ， l M 0 5 一2 。。 dx 一f 2 。， Mr dx5一 3 由5一 3式 可 知 ，当 巷 道 两 帮 的煤 层 愈 坚 硬 时 ，其 垂 直 应 力 分 布 曲线 愈 陡 ，峰 值 越 大 ，垂 直 应 力 差 。， 厂。， 1 的值 就 越 大 ，煤 体 所 受 的合 力 值 p ， 也 越 大 ; 尤 其 是 存 在 与 巷 道 方 向垂 直 的较 大 水 平 构 造 应 力 。s时 ，会 使 得 p l值 更 大 ，极 易 发 生 煤 体 被 挤 出 ， 整 体 向外 移 动 的 现 象 。 把 塑 性 区 的 。， 曲线 简 化 成 一 条 直 线 ， 如 图 5一 5 所 示 。 峰 值 位 置 与 煤 壁 间 距 离 为 S ， d 崖值 大 小 为 o M。 太 原理工大学博 士研 究生学位论文 个塑性 区弹性 区 图 5一 5两帮垂直应力分布简化图 F ig . 5 一 5 S im P lifi ed d istrib u tion o f v er t ieal stress in the ri b s 在 垂 直 应 力 峰 值 区 ，煤 层 由于 高 应 力 的作 用 ， 出现 平 行 于 巷 道 的 垂 直 裂 隙 ， 这 些 裂 隙 的扩 展 、贯 通 ，最 终 形 成 一 个 将 煤 壁 切 割 分 开 的裂 隙 面 ，使 靠 巷 帮 一 侧 的煤 体 与 整 个 煤 层 分 隔 开来 。并 且 在 裂 隙 面 形 成 的 瞬 间 ，这 部 分 煤 体 宽 度 为 s 发 生 冲 击 。 5. 3 . 2冲 击 机 理 分 析 1如 果 顶 板 由于 震 动 而 产 生 反 弹 ， 间发 生 冲 击 { 1 24 ]。此 时 ，煤 壁 侧 的垂 直 应 力 。 Px M o 、 入 o M 煤 体 移 动 需 克 服 的力 为 F l 5 o CfM r S 煤 层 与顶 板 己经 离 层 ，且 在 离 层 的 瞬 yl为 零 ，水 平 方 向 的 主 动 作 用 力 为 5一 4 5一 5 }} }Fl、 到 到 到 到 图 5一 6两帮垂直应力分布力学模型 图 F ig .5 一 6 Meeh an ical m o del o f v ert ical stress d istri b u tio n in th e ri b s 根 据 图 5一 6 可 知 ，欲 使 宽 度 为 S 的 煤 体 移 动 ，须 满 足 P x F ， 的 条 件 ， 即 M 0 、 入 o M 5 o C fM rS 由上 式 可 知 ，使 煤 壁 整 体 外 移 的最 小 垂 直 应 力 为 太原理工大学博士研 究生学位论文 o M 5 0 。 fMrS 一M o 。 / M 入5一 6 以大 同矿 区煤 峪 口矿 307 盘 区 回 风 巷 道 为 例 ，煤 层 厚 度巷 道 高 度 M为 3 米 ，据 实 际观 测 垂 直 应 力 峰 值 位 置 与 煤 壁 间 距 离 S 一6 米 。最 大 水 平 主 应 力 0 1数 值 大 小 为 12M P a，实 际 侧 压 系 数 人， 为 1 .5 ，则 其 垂 直 应 力 。2 。1 /入; 一 SM pa。一 般 煤 层 的泊 淞 比 p 一0. 35 ，其 侧 压 系 数 入p/l 一 p 0.54 ，垂 直 应 力 引起 的 水 平 应 力 。。 入 。2 一 4.32M pa， 则 最 大 水 平 构 造 应 力 。s-。， 一 。 7.68M p a。底 板 岩 层 与 煤 层 间 的 抗 剪 切 强 度 。。 6.SM P a，fo.15 ，r一14K N /m 3，则 。， 1 1.0 1M p a 。 由5一 6式 可 知 ，在 垂 直 应 力 值 一 定 的 情 况 下 ，垂 直 应 力 峰 值 区 与 煤 壁 距 离 S 越 大 ，煤 壁 整 体 外 移所 需 的最 小 垂 直 应 力 o M也 越 大 ，发 生 冲 击 地 压 的可 能 性 就 越 小 。如 果 存 在 的 水 平 构 造 应 力 。s越 大 ，煤 壁 整 体 外 移 所 需 的 最 小 垂 直 应 力 。， 就 越 小 ， 发 生 冲 击 地 压 的 可 能 性 就 越 大 ; 反 之 ， 亦 然 。 2如 果 顶 板 由 于 震 动 而 产 生 反 弹 ，煤 层 与 顶 板 已经 离 层 ，但 未 在 离 层 的 瞬 间发 生 冲 击 ，而 是在 顶 板 与 煤 层 又 接 触 后 发 生 冲 击 。水 平 方 向 的 主 动 作 用 力 仍 为 P M o 。 入 o M 煤 体 移 动 需 克 服 的 力 为 F，二5 0 。 f o ， Mr S5一 7 欲 使 宽 度 为 S 的煤 体 移 动 ，须 满 足 Px F ， 的条 件 ， 即 M 0 5入 o M多 5 0 。 f o M M r S 由上 式 可 知 ，使 煤 壁 整 体 外 移 的 最 小 垂 直 应 力 为 o M 5 0 。 fMrS 一M 0 5 /M 入一fs 5一 8 同样 以大 同矿 区煤 峪 口矿 307 盘 区 回 风 巷 道 为 例 ，其 参 数 不 变 ，则 o M一 2 4 .7 9 MP a o 3 如 果 煤 层 与 顶 板 间没 有 产 生 离 层 。水 平 方 向 的 主 动 作 用 力 仍 为 P 、 M O 、 入 o M 煤 体 移 动 需 克 服 的 力 为 F， 25 0 。 十f o M Mr S5一 9 欲 使 宽度 为 s 的煤 体 移 动 ，须 满 足 P 、 F ， 的条 件 ， 即 太原理工大学 博士研究生学位论文 M o 、 入 o M 2 5 0 。 f o ” M r S 由上 式 可 知 ，使 煤 壁 整 体 外 移 的最 小 垂 直 应 力 为 o 、 25 0 。 fMrS 一M o 、 /M 人一fs 同样 以大 同矿 区煤 峪 口矿 307 盘 区 回 风 巷 道 为例 ，其 参 数 不 变 ， 5一 10 则 。， - 7 8 .9 6 MP a 。 综 上 可 知 ，在 煤 层 与 顶 板 己经 离 层 的 条 件 下 ，发 生煤 体 整 体 移 动 所 需 的 垂 直 应 力 的值 很 小 ，因此 就 容 易发 生 煤 体被 挤 出 ，整 体 向外 移 动 的现 象 。而 如 果 煤 层 与 顶 板 间 没 有 产 生 离 层 ，发 生 煤 体 整 体 移 动 所 需 的垂 直 应 力 的值 就 很 大 。 大 同矿 区 “ 三 硬 ”煤 层 巷 道 煤 壁 整 体 推 出型冲击 地 压 发 生后 ，能观 测 到 煤 层 与顶 板 离层 的现 象 ， 如 煤 峪 口矿 307 盘 区 回风 巷 道 出现 了顶 板 离层 ，煤壁 整 体 外 移 最 大值 达 3OCm 。实践 证 明，“ 三硬 ”煤层 巷 道 出现 煤 层 与 顶 板离 层 ，易发 生 煤 壁 整 体 推 出型 冲 击 地 压 。 5. 3. 3 数 值 模 拟 分析 1、模 型 构 建 巷 道 一侧 煤 体 整 体 推 出 ，其 推 出部 分 与深 部 煤 体 及 顶 底 板 必 然 首 先 分 离 ，这 是 煤 体 被 整 体 推 出 的必 要 条 件 。本 模 型 应 用 大 型 有 限元 软 件 A N SY S 建 立 ，其 中 推 出部 分 煤 体 与 深 部 煤 体 以及 顶 地 板 之 间用 非 线 性 “ 面一 面 ” 接 触 单 元 进 行 模 拟 。 本 数 值模 拟 各 岩 层 力 学 参 数 均 取 自同煤 集 团忻 州窑 矿 三 盘 区 11煤 层 。力 学 参 数 见 表 5一 1。n 煤 层 的弹 性 模 量 ESGPa ，泊 松 比 p 0.3 ，厚 度 为 3.8 米 。巷 道 尺 寸 为 4m x 3.sm ，裂 隙距 巷 帮 表 面 为 Zm 。建 立 模 型 如 图 5一 7 所 示 。 2、本 模 拟 实验 分 两 种 情 况 进 行 ， 即施 加 水 平 载荷 与 不 施 加 水 平 载 荷 。在 巷 道 右 帮 表 面顶 角 与底 角 间做 一 条 路 径 ，并把 顶 角 点作 为监 测 点 ，对其 水 平位 移 进 行 对 照 ，进 而 分 析 是 否 发 生 巷 帮 整 体 推 出现 象 ，整 体 推 出位 移 与 受 力 状 态 有 何 关 系 。 太 原理工大学博士研究生学位论文 表 5一 1 忻 州窑矿 东三盘 区 11煤层 围岩 的物理 力学性质 T 曲l e s一 1 Physieal an d me eh耐 e叔propert i es 。 rsurr o undi 吧 roek 。 fseam 11‘加w orki ng ar e a D o n gsan ， Xi n zho uy ao C o al Mine 议议 议 岩性 性 厚度度 抗压强强 抗拉强强 抗剪强度 度 弹性模量量 泊松比比 mm mm mm m mm度 柳 a aa度 MPa aa a a a a a a a a a a a a a a a a GPa aa aa 内 内 内 内 内 内 内 聚力 力摩擦角 角 角 角 MM MM MM MM MM MM M Pa aa aa aa aa 顶 顶 板 板四分层 层中细砂岩 岩5 55128.4 4410.74 4414.95 5527.07 772 1 .8 880 .28 88 三 三 三 分层 层粉砂 岩 岩7 .22 2134.8 8810.73 3317.7 7719.3 3318.6 660 .19 99 二 二 二 分层 层细砂岩 岩5 55120.4 449 .72 2213.35 5531.41 1123.4 440 .23 33 一 一 一 分 层 层粉 砂 岩 岩10 001 17.33 39 .5 551 1.755 527.81 1117.6 660 .31 11 底 底 板 板一分层 层细砂 岩 岩5 5598.2 2210.67 7714.9 9926.6 6616.8 880 .21 11 二 二 二 分层 层粉砂岩 岩6 66108.3 337 .73 3312.06 6626.9 9920.9 990 .36 66 三 三 三 分层 层中砂岩 岩9 9999.9 9910.63 3313.02 2230.0 0022.1 110 .17 77 图 5一 7 有 限元模型 F ig . 5一 7 M o d e l of fi n ite elem ent 1不 施 加 水平 载 荷 。即 在 模 型 上 部 边 界 施 加 10MPa 的垂 直 向下 载 荷 ， 下 部 边 界 施 加 垂 直 方 向 O 位 移 约 束 ，在 左 右 两 侧 边 界 施 加 水 平 方 向 0 位 移 约 束 。 太原 理再冬学博士 研究生 尝鱼些生一一一一一一一一一一 ① 煤层 与顶底 发 生离层 时， 计算结果如 图 5一 8 所示 。 刊限亚S J翻24 2 0 1D 1 1 二 ， 3 5 2 x 拍 . ， 3 勺 游 娜卿 ﹃︸ ︸︸ 顺﹄ ︸洲 ， G . 止乙 。 几. 日哭日注 2 .0 。 1 . 0 〔蕊工日口功 勺 厅 1 0 . 3 T 巴护二1 S 刀习 1 T 劝 妞 二1 U 皿丈 燕甘仔 日日 3 二D p o . 巴r G r a P b J刀 ， 皿珍几C 厄， 甲 1 再朋 p 日日二别匕七 刀 别区二 。 0 3 0 2 2 9 日洲口 一。 0 0 2 5 9 6 日洲民吕 。 0 0 1 3 ‘8 F 。 义 一 帷 健 冲- 声 一 殆 厂 Z 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Z r二.5 盆 又，笋 1 Z 一 B 加 r 已 R 儿C D F︸r GU 图 5一 9水平位移等值线图与巷道右帮表面水平位移曲线 F ig .5 一 9 C onto ur o f h o ri zo ntal d isP lacem ent and h o rizontal d isP lacem ent eu rve o f su ri 五ee o f ri g ht ri b 2 施 加 水 平 载荷 。即 在