覆岩应力拱演化特征及其应用研究.pdf

分类号 TD745分类号 TD745 密 级 公 开 密 级 公 开 U D C U D C 单位代码 1 0 4 2 4 单位代码 1 0 4 2 4 学学 位位 论论 文文 覆岩应力拱演化特征及其应用研究覆岩应力拱演化特征及其应用研究 王 健 王 健 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 张文泉张文泉 职职 称称 教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月 二零一二年六月 论文题目 覆岩应力拱演化特征及其应用研究覆岩应力拱演化特征及其应用研究 作者姓名 王王 健健 入学时间 2009 年 9 月 2009 年 9 月 专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向矿山灾害预测与防治矿山灾害预测与防治 指导教师 张张 文文 泉泉 职 称 教 授 教 授 论文提交日期2012 年年 5 月月 论文答辩日期2012 年年 6 月月 授予学位日期 EVOLUTION CHARACTERISTICS OF OVERBURDEN ROCK STRESS ARCH AND ITS APPLICATION RESEARCH A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Jian Supervisor Professor Zhang Wenquan College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘 要 摘 要 煤矿事故的发生，往往是围岩采动破坏导致的结果，而岩层的采动破坏，又与应力 条件的实现有关，对于应力传递的研究是解释岩层破断引起的一系列现象的良好手段。 对于单一煤层开采后的覆岩破坏规律研究已经较为透彻，但是对于近距离煤层采动破坏 的交互作用研究还相对较少，特别是上下煤层采动后导水裂缝带的继续发育问题还需要 进一步深入研究。 本论文以滕州赵坡煤矿 16、17 近距离煤层为研究对象，运用 udec 数值模拟软件模 拟 16、17 煤上覆岩层运动情况，通过对覆岩破坏主应力迹线分析，建立上覆岩层受力形 态模型覆岩应力拱模型，并推导了应力拱迹线方程，证明了应力拱结构在拱身两侧水 平应力的分布情况，结合赵坡矿压观测数据分析了应力拱模型拱脚失稳变换与工作面来 压步距之间的关系， 预测在工作面推进 100m 范围内的 5 个周期来压步距， 进一步研究了 应力拱模型拱高和覆岩两带高度的关系，根据垮落带高度不能传递水平应力的特点，通 过研究拱迹线的破断情况，确定了垮落带高度，得出了导水裂缝带高度位于应力拱拱高 之下的结论，并根据经验公式、数值模拟、现场实测进行了验证，说明了将应力拱拱高 作为防水安全煤岩柱厚度的合理性。阐述了应力拱在近距离煤层中的存在形式，最后通 过数学分析和数值模拟方法给出了近距离薄煤层开采条件下，经验公式计算导水裂缝带 高度的适用条件。 关键词关键词覆岩应力拱；周期来压；导水裂缝带；近距离煤层；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT Coal mine accidents is often the result of surrounding rock mining damage, and strata of mining damage is relevant with the stress condition, for stress transmission research is a good way to explain a series of phenomenon caused by the strata failure from essentially .We have more thorough research for a single coal seam mining strata damage rule, but the study of the close coal seam mining damage of the interaction between also relatively less, especially the study for the coal mining damage and water flowing fractured zone continued to develop is also need to be further. This papers use Zhaopo sixteen and seventeen close seam in the city of TengZhou for the study,Using numerical simulation software to simulate the overlaying strata movement rules of the sixteen and seventeen seam by udec, By Analyzing the strata damage principal stress tracing line, Established strata stress arch model,and on the basis of past research deduced the stress arch tracing line equation, and prove the distribution of the stress level on both sides of the arch body, combined with ZhaoPo coal mine pressure observation data analysis of the arch rise and the span relationship with working face periodic press step distance, forecast five cycle to pressure from step within the scope of 100 m advancing of the face, further study the relation of the arch rise and the height of Strata with two, according to the features of cant transfer the stress level,through study of the arch tracing line break, determined the height of caving zone ,get the conclusion that water suture zones height is under the high arch arch,and according to the empirical ula and the actual numerical simulation verified that the rationality of using arch rise as the thickness of waterproof safety coal-rock pillar.Expounding stress arch existing in close distance coal seam.Finally through mathematical analysis and numerical simulation gives the using conditions in thin coal seam mining water suture zones height calculated by empirical ulas. Keywords stress arch of overlying strata, periodic pressure, water flowing fractured zone; close distanee coal seams;numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目 录 目 录 1 绪论1 绪论 ................................................................................................................... 1 1.1 论文研究的目的和意义 .............................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................... 2 1.3 课题研究的主要内容和技术路线 ...................................... 6 2 覆岩应力拱模型及其形态特征研究2 覆岩应力拱模型及其形态特征研究............................................................... 8 2.1 应力拱与以往拱假说的不同之处 ...................................... 8 2.2 udec软件介绍 ...................................................... 9 2.3 数值模型的构建 ................................................... 11 2.4 覆岩应力拱模型的提出及应力拱迹线研究 ............................. 13 2.5 本章小结 ......................................................... 22 3 覆岩应力拱演化特征及在矿山压力显现中的应用3 覆岩应力拱演化特征及在矿山压力显现中的应用..................................... 23 3.1 不同推进步距下的应力拱发育情况 ................................. 23 3.2 赵坡煤矿 16302 工作面顶板矿压观测 ................................. 31 3.3 本章小结 ......................................................... 38 4 覆岩应力拱拱高与冒裂带高度之间的关系4 覆岩应力拱拱高与冒裂带高度之间的关系................................................. 39 4.1 垮落带高度分析 ................................................... 39 4.2 导水裂缝带高度分析 ............................................... 40 4.3 导水裂缝带高度现场观测 ........................................... 43 4.4 防水安全煤岩柱厚度确定 ........................................... 47 4.5 本章小结 ......................................................... 49 5 近距离煤层应力拱存在形式及导水裂缝带高度研究5 近距离煤层应力拱存在形式及导水裂缝带高度研究................................. 50 5.1 应力拱在近距离煤层中的存在形式 ................................... 50 5.2 近距离煤层导水裂缝带高度研究 ..................................... 53 5.3 本章小结 ......................................................... 61 6 主要结论及研究的不足6 主要结论及研究的不足................................................................................. 63 6.1 主要结论 ......................................................... 63 I 山东科技大学硕士学位论文 目录 II 6.2 研究的不足 ....................................................... 64 致 谢致 谢 ................................................................................................................. 65 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 66 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..................................................................................... 70 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction....................................................................................................... 1 1.1 Purpose and Significance of the research...........................................................................................1 1.2 Present Status of the Study at Home and Abroad...............................................................................2 1.3 Contents and s of the study ....................................................................................................6 2 Strata stress arch models and Morphological characteristics research...... 8 2.1 The different between stress arch and arch hypothesis of the past ...................................................8 2.2 Universal Distinct Element Code Overview......................................................................................9 2.3 Numerical models............................................................................................................................ 11 2.4 Strata stress arch the present model and stress arch tracing line research........................................13 2.5 Chapter Summary.............................................................................................................................22 3 Evolution characteristics of overburden rock stress arch and appeared in mine pressure of the application ...................................................................... 23 3.1 Different from the step of the stress arch development situation.....................................................23 3.2 ZhaoPo coal mine 16302 face roof rock pressure observation.........................................................31 3.3 Chapter Summary.............................................................................................................................38 4 Strata stress arch high arch and the crack zone height relationship......... 39 4.1 The height of caving zone analysis..................................................................................................39 4.2 The height of water flowing fractured zone analysis .......................................................................40 4.3 The height of water flowing fractured zone observation..................................................................43 4.4 The safety thickness of coal pillars as waterproof determined.........................................................47 4.5 Chapter Summary.............................................................................................................................49 5 Stress arch existing and water flowing fractured zone research in Close distance coal seam ................................................................................... 50 5.1 Stress arch existing in close distance coal seam......................................................................50 5.2 Close distance coal seam with water flowing fractured zone research ..........................................53 5.3 Chapter Summary.............................................................................................................................61 III 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 6 Main conclusions and insufficiency of the Study......................................... 63 6.1 Main conclusions .............................................................................................................................63 6.2 Insufficiency of the Study ................................................................................................................64 Acknowledge ...................................................................................................... 65 Reference ............................................................................................................ 66 Main Academic achievement............................................................................ 70 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 绪论 1.1 论文研究的目的和意义 1.1 论文研究的目的和意义 我国煤炭资源丰富，煤炭总量位居世界第二位，煤炭一直是我国的主要能源，是国 民经济和社会发展的基础，煤炭在中国一次能源生产和消费结构中所占比重一直保持在 60以上，其经济价值在未来还将会稳步提高；据预测到 2050 年仍将占 50以上，在未 来较长的时间里，煤炭在我国能源消费中拥有绝对的主导地位；但是由于我国煤炭产量 大多数来自于井下开采，开采作业环境极为复杂，相比其它采煤国家，我国煤炭开采受 水、火、煤尘、瓦斯、冲击地压等矿井灾害的威胁更为严重，随着浅埋煤层资源的开采 殆尽，我国的煤炭开采深度正以每年 10m 的速度向深部延深，各种灾害的威胁有进一步 加剧的趋势 [1]。 以往大量实践表明煤矿重大事故的发生，一般都与岩层运动和应力场应力的大小和 分布条件有关；其中与顶板运动破坏直接关联的顶板透水事故，其应力条件的实现就是 在一定采动条件下岩层运动和破坏的结果，岩层移动导致煤岩体应力场与裂隙场发生变 化，引起岩层破断，裂隙沟通了含水层与回采作业空间导致矿井涌水量增大，引起采动 水害 [2]。每年因矿井顶板压力过大，致使煤矿在开采过程中地表水、老空水或者是相邻 报废矿井中的水沿断层破碎带流入井田造成的透水事故时有发生 [3]。所以在水体下或含 水层下开采时，对于如何控制采动导水裂缝不贯通采场与含水层，如何合理有效的预测 与防治矿井灾害，减少和避免突水事故的发生，一直是我们需要不断研究的课题。 同时由于煤炭开发利用过程中的不合理性，片面追求经济效益，导致一些赋存条件 良好的厚煤层资源开采殆尽，煤层储量逐渐减少，而快速发展的经济又需要有稳定的煤 炭产量供应，这使得许多矿区不得不向赋存条件较差的薄煤层开采方向转移，在开采这 些薄煤层时不仅需要配套相关的采煤和支护设备，而且还出现了许多与以往开采不同的 技术难题，比如在开采近距离薄煤层群过程中，由于煤层间距较近，上下煤层采动相互 影响，使得上覆岩层运动和裂隙发育表现出不同于以往单一煤层开采的规律；本论文正 是基于这样的背景下，以赵坡煤矿 16、17 近距离薄煤层开采问题为研究内容，应用数值 模拟、现场实测等方法，不同于以往矿山压力研究单纯的从结构力学模型出发，而是从 岩层运动与破断的受力形态模型出发，通过研究该受力形态模型的相关参数来解释矿山 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 压力显现，确定相应的覆岩两带高度；并在此基础上对赵坡煤矿近距离薄煤层群开采导 水裂缝带高度的计算做了更加深入的研究。 论文的研究对于深化和发展覆岩结构模型，拓展覆岩应力拱应用范围，更好的服务 于现场实践具有重要意义，而近距离薄煤层导水裂缝带高度的研究对于有效减少矿井顶 板水害事故，保证矿井安全生产也有所助力，所以本次研究不仅具有一定的理论价值， 还有一定的实践意义。 1.2 国内外研究现状 1.2 国内外研究现状 1.2.1 拱结构模型相关研究 1.2.1 拱结构模型相关研究 1.2.1.1 国外研究现状 早在 1885 年法国学者法依奥尔Fayol根据观测和实验提出岩层移动拱形说。认为 岩层移动形式是塌陷式的；移动所波及的地区具有圆拱形状；当力学作用消失后，因为 岩石碎胀将充满拱内的自由空间，圆拱将保持自己的稳定性 [4]。 此后，苏联、捷克、英国、比利时、法国和德国的学者都对拱的形成以及在采场中 的应用进行了试验和理论的研究。 根据拱的性质及形成条件的不同又可分为自然平衡拱和压力拱两种形式。 1）自然平衡拱假说 1907 年前苏联学者 M M 普罗托季亚科诺夫在观察了大量巷道顶板破坏情况下提出 了自然平衡拱假说，他认为煤层开采后上覆岩层将逐步冒落成拱形，拱高是岩体强度和 巷道宽度的函数；但是由于普氏平衡拱没有深入研究围岩中应力分布和稳定的条件，也 不能解释周期来压现象，所以一直未被广泛应用 [5]。 2）压力拱假说 前苏联工程师Φ许普鲁特提出的压力拱假说认为工作面自开切眼以后其上方将形 成压力拱，由于拱内外岩层应力的传递被切断，所以采场支架仅承担控顶区以上至拱边 界处的岩石重量，而压力拱拱身将上部岩层的重量传递至拱脚，形成支撑压力。但是由 于压力拱并没有明确与岩层运动发展的关系，不能确定控顶范围；压力拱作为一个相对 模糊的边界概念，没有定量描述其形态结构的参数，所以该假说未能进一步应用于现场 实践 [6]。 1.2.1.2 国内研究现状 姜福兴教授在“砌体梁”和“传递岩梁”理论的基础上，通过大量现场观测、实验 2 山东科技大学硕士学位论文绪论 室研究和理论研究，提出了老顶存在类拱、拱梁和梁式三种基本结构 [7]。 邹喜正教授从应力场的角度分析长壁工作面采掘活动引起的一系列力学现象，解释 了岩体的存在形式和运动方式，证明了上覆岩层中存在压力拱形式的“大结构”，对压 力拱假说做出了新的解释 [8]。 重庆大学的曹树刚教授提出了复合压力拱的概念 [9]。 靳钟铭教授等根据理论分析及综采放顶煤现场观测、数值计算，阐述了放顶煤采场 的顶煤变形运动规律，发现顶煤存在拱式和半拱式的放落规律 [10]。 古全忠、史元伟等利用力学解析计算及有限元和离散元数值模拟，研究了放顶煤采 场中上覆岩层运动规律，提出采场上覆岩层运动结构为拱梁结构，确定了影响综放支 架载荷的顶板岩层范围，并分析了影响顶板运动的主要因素 [11]。 张顶立为合理解释综放面的矿山压力显现，通过理论分析、现场实测、相似材料模 拟、数值模拟等多种方法综合提出了综放采场覆岩结构的基本形式由“砌体梁”与“半 拱”式结构相结合构成 [12]。 西安科技大学王红伟在大倾角煤层条件下，对覆岩宏观三维非对称应力拱壳形成机 制进行了分析，构建了覆岩宏观应力拱壳结构分析模型，得出覆岩应力拱壳形态方程和 失稳判据，并将该研究结果成功应用于新疆焦煤集团主焦煤矿 [13]。 金洪伟、 许家林等为了更加全面的解答有关长壁工作面连续开采时的覆岩运动规律， 在融合拱、梁结构理论的基础上构建了覆岩移动的拱－梁组合结构模型，在该模型中， 覆岩运动整体上呈拱形的承载结构，但对单一的岩层又表现出梁的特性，当覆岩中存在 关键层时，关键层对拱模型起到控制作用 [14]。 杨科、谢广祥在对深部开采条件下应力壳和采动裂隙发育演化特征动态分析的基础 上，结合走向长壁开采特点，构建了非充分采动条件下的应力壳三维分析模型，获得了 采动应力壳形态方程和采动裂隙发育各参量间的关系，并分析了应力壳的四种失稳模式 [15]。 彭苏萍等通过对淮南潘三井田 1221 工作面 13-1 煤层顶底板沉积岩体结构的综合分 析，应用有限元方法，对构建的三种地质模型围岩应力分布进行了计算，计算结果分析 表明在煤层顶底板岩体中明显地存在着一对称的双应力拱形态 [16]。 西安科技大学的侯树宏在研究灵武矿区 2 煤层综放开采矿压规律时得出综放开采上 覆岩层存在着压力拱结构，并提出主压力拱的概念，通过数值模拟确定了主压力拱初次 破断前后拱顶随工作面推进的变化趋势线，总结了拱趾（煤壁）压力和压力拱之间的关 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 系 [17]。 李红涛等利用物理相似模拟实验，研究了综放条件下直接顶垮落形成散体拱结构的 力学平衡条件和形成机理 [18]。 王金安，赵志宏等采用 FLAC3D 和 UDEC 软件对浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理进 行了数值模拟。研究认为采场上方存在 “复合应力拱” ，其演化特征分为三个阶段，内 外应力拱分别承担拱内外岩层重量，内应力拱随着工作面的不断推进最终与外应力拱重 合，导致地表塌陷 [19]。 任艳芳， 刘江， 齐庆新等研究得出浅埋深长壁采场开采后， 围岩应力场中可形成 “承 压拱”结构，该结构具有承载作用，并具有连续性、稳定性和动态性特点 [20]。 刘音，陈静等以岱庄煤矿工作面为研究对象，通过相似材料模拟，研究了长壁工作 面膏体充填条件下的覆岩结构形式和覆岩移动规律，认为在膏体充填条件下的采场覆岩 结构主要是拱的形式而不是一般情况下的铰接岩梁 [21]。 马庆云，汤建泉 [52]等从现场实践和实验结果出发，研究了顶板运动破坏的拱结构特 征，从应力分布和岩梁破断结构形态两个不同方面指出结构拱和压力拱的不同内涵，描 述了拱结构在发展到地面时的形态。 杜晓丽，宋宏伟，陈杰利用数值模拟和相似物理模型方法，讨论了工作面推进过程 中围岩应力转移变化规律，得到了围岩压力拱演化规律和特征 [22]。 通过阅读以上参考文献可以看出拱结构一般分为两种形态，一种是在现场实际存在 的结构拱，一般在综采放顶煤开采条件下易形成，一种是体现围岩受力形态的应力拱或 压力拱，它反映了岩