悬顶采场围岩变形和破坏特征研究.pdf

分类号分类号 TD325TD325密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 悬顶采场围岩变形和破坏特征研究悬顶采场围岩变形和破坏特征研究 程程 元元 祥祥 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名吴吴 士士 良良职职称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年六月二零零六年六月 论文题目论文题目 悬顶采场围岩变形和破坏特征研究悬顶采场围岩变形和破坏特征研究 作者姓名作者姓名 程程 元元 祥祥入学时间入学时间 2003 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 吴吴 士士 良良职职称称副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期20062006 年年 6 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期20062006 年年 6 6 月月日日 授予学位日期授予学位日期 STUDY OF THE TRANSMUTATION AND DESTROY CHARACTER OF SURROUNDING ROCKAT WORKING FACE OF FLAP TOP ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Cheng Yuanxiang Supervisor Professor Wu Shiliang College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2006 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。 硕士生签名 日期 AFFIRMATIONAFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandong 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 摘摘要要 协庄煤矿煤13顶板为石灰岩，坚硬致密，整体不易冒落，工作面回采中顶板岩梁易形 成悬顶状态，给底板破坏提供了优越条件，对底板防治水极为不利。本文针对 71303（上） 工作面存在多个底板含水层承压水上开采的实际问题，探讨工作面悬顶条件顶底板变形特 征。 在分析坚硬岩石力学性质的基础上，利用材料力学挠曲变形，讨论了工作面推进过程 中采场上覆岩梁的极限跨度和悬臂梁的极限长度，并推出计算公式；根据等效荷载原理， 将底板支承压力分布按区域线性化，利用弹性力学半无限体在集中荷载作用下极坐标的位 移解，讨论初次来压前和周期性运动两个阶段岩层运动特征，得到三种顶板结构条件（初 次来压前、冒落顶板和悬顶）垂直于层面的底板岩层相对位移特征压缩拉伸再 压缩。 考虑岩石的流变特性，运用材料力学的岩梁挠曲变形分析工作面推进速度对采场围岩 变形的影响，得出随工作面推进速度的降低，采场顶底板变形增大；反之减少。 最后，采用 2Dσ岩土工程有限元模拟软件，模拟 73103（上）工作面三种顶板结构 条件下，采场围岩变形、应力分布特征及工作面推进速度的影响效果，证明了理论分析结 论的正确性。 关键词关键词支承压力分布等效荷载底板变形推进速度 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACT Theimmediateroofofcoal13islimesrock,hardnessandthickestin Xiezhuang Colliery. The whole isn’t easy to fall. During extraction rock beam of roof is easy to circs of flap top. This provides superior condition to break floor, and it is disadvantage to prevent and cure water for floor. Aim at 71303up existing multi-actul problems of mining over containing water layer, this text discusses the transmutation character of roof and floor under flap top condition in working face. Onthebasisofanalyzingstrongrockmechanicscharacter,utilizing flexion tansmutation of material mechanics, the text discusses utmost span of coverrockbeamandutmostlengthofcantileverbarduringworkingface pushing, and fetches calculating ula; Basis on principle of equivalent load to accept distribution of abutment pressure to linearization according to area, and utilizing displacement-dispel of pole coordinate under the function of centralized load of half infinitude body of elasticity mechanics, the text discusses two phases movement characters of primary weighting and periodic weighting, and gains comparatively displacement character that floor terrane perpendicularity in floordirection under three roof structures condition before primary weighting, falling roof and flap topcompressiontension recompression. Consideringtheflexuralcharacterofrock,andutilizingrockbeam flexion transmutation of material mechanical to analysize the influence of pushing speed vs the transmutation of surrounding rock in working face, gain that the transmutation of roof and floor are aggrandizement along with pushing speed of working face depress; contrarily reducing. Finally, adopting adopts 2Dσ finity buck simulation software of rock engineering, simulate transmutation of surrounding rock, stress distribution 山东科技大学硕士学位论文摘要 character and the influending effect of pushing speed at working face under three roof structures condition about 71303up working face. It testify the correctness of theory analysis results. KeywordsKeywordsabutmentpressuredistributionequivalentloadfloor transmutationpushing speed 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 绪论绪论. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .1 1 1.1 课题的提出及研究意义................................................... 1 1.2 国内外研究现状......................................................... 2 1.3 论文研究的目标、主要内容和方法......................................... 6 1.4 预期取得的主要成果..................................................... 7 2 2 悬顶采场围岩运动规律悬顶采场围岩运动规律. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .8 8 2.1 坚硬岩石的力学性质..................................................... 8 2.2 采场顶板破坏特征....................................................... 9 2.3 工作面开采时底板岩体应力分布及变形特征................................ 12 2.4 采场底板破坏深度计算.................................................. 26 2.5 本章小结.............................................................. 29 3 3工作面推进速度对采场围岩运动规律的影响工作面推进速度对采场围岩运动规律的影响. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .3030 3.1 坚硬岩层的流变性...................................................... 30 3.2 工作面推进速度对顶板的影响............................................ 31 3.3工作面推进速度对底板的影响............................................. 35 3.4本章小结............................................................... 38 4 4 实例分析实例分析. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .4040 4.1 概述.................................................................. 40 4.2 采场围岩变形计算...................................................... 40 4.3 工作面推进速度与围岩运动.............................................. 48 4.4 本章小结.............................................................. 52 5 5 采场围岩运动规律的数值模拟采场围岩运动规律的数值模拟. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .5353 5.1 数值分析软件简介...................................................... 53 5.2 模型的建立............................................................ 53 5.3 结果分析.............................................................. 56 5.4 本章小结.............................................................. 63 山东科技大学硕士学位论文目录 6 6 主要结论主要结论. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .6464 参考文献参考文献. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .6666 附件附件. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .6969 致谢致谢. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .7070 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction································································································· 1 1.1ImportanceofStudyandResearchful Signification··································································1 1.2 Present Situation of Study Inside and Outside······················································································2 1.3 Targets, Contents and s of Study Researchful ···········································································6 1.4Anticipation Obtained Main Productions·····························································································7 2 Movement Regulation of Surrounding Rock in Flap Top Stope··································8 2.1 Mechanics Character of Strong Rock···································································································8 2.2 Breakage Character of Stope roof········································································································ 9 2.3 Stress Distribution and Transmutation Character of Floor Rock When Working Face Was Mined············12 2.4 Destroy Depth Calculation of Floor at Stope······················································································26 2.5 Brief Summary································································································································ 29 3 The Influence of Pushing Speed of Working Face vs Movement Regulation of Surrounding Rock·························································································· 30 3.1 The Flexural Character of Strong Rock Layer·····················································································30 3.2 The Influence of Working Face Pushing Speed vs Roof·······································································31 3.3 The Influence of Working Face Pushing Speed vs Floor······································································35 3.4 Brief Summary································································································································ 38 4 ExampleAnalyse·························································································· 40 4.1 Summarize······································································································································ 40 4.2 Calculation of Stope Surrounding Rock Transmutation·······································································40 4.4 Working Face Pushing Speed and Movement of Surrounding Rcok······················································48 4.5 Brief Summary································································································································ 52 5 Numerical Simulation of Movement Regulation of Surrounding Rock at Stope············53 5.1 Brief Introduction of NumericalAnalysis Software·············································································53 5.2 Model Establishing·························································································································· 53 5.3 ResultAnalyses······························································································································· 56 山东科技大学硕士学位论文目录 5.4 Brief Summary································································································································ 63 6 Main Research Result and Calculation······························································ 64 Reference Documents······················································································ 66 Appendix······································································································ 69 Thanks········································································································· 70 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 煤炭是我国能源安全的基石，煤炭工业是我国重要的基础产业。2004 年，煤炭产量已 突破 19 亿 t，其安全生产已成为关乎国计民生的大事。煤炭企业的风吹草动，都能引起国 人的关注，冲击地压、瓦斯及煤尘突出、井下突水、顶板坍塌及地表沉陷等一系列重大矿 井灾害事故，冲击着每一个国人的神经。究其根源，为工作面推进引起的围岩运动。地下 矿层被开采后，采场周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，直至达到新 的平衡状态。期间伴随着上覆岩层的变形、离层、断裂，底板弯曲变形、开裂等运动。如 对其运动规律认识不清，轻则影响生产，重则引起安全事故。因此深入研究采场推进过程 中围岩运动和破坏规律，进一步完善采场顶底板活动的预测、控制，是中外学者长期以来 所关注的问题，且进行了很多基于岩层运动和应力分布的研究和探索，取得了许多成果。 我国煤炭资源丰富、品种齐全、分布广阔，但赋存条件复杂，总体研究采场围岩运动 规律是一个十分复杂的系统工程及基础理论问题。 其中悬顶做为一种特殊的顶板岩层组成， 在我国分布在 30以上的矿区。本文以新汶矿业集团协庄煤矿 71303（上）工作面为研究 对象（如图 1.1） ，来研究悬顶采场围岩变形和破坏规律。该面位于300 水平十三层七采区 西翼最下部，为该采区西翼第一个工作面，平均埋深 524m。 在回采过程中面临着以下问题 （1）煤13顶板为石灰岩，坚硬致密，局部夹有黑色燧石条带，厚度 5.05～7.99m，整 体不易冒落，推进中顶板易出现悬顶状态，给顶板管理带来很大难度；最重要的是顶板悬 顶距最大达 20m 左右，使采空区得不到及时充填，给底板破坏提供了优越的条件，对底板 防治水极为不利。 （2）工作面下方约 36m 徐灰（厚 12.0m） 、下方 54m 草灰（厚约 6.0m） 、下方 76m 奥 灰层为井田内主要含水层，其在浅部露头区富水性较强，往深部富水性逐渐减弱，但在构 造裂隙发育处、断层附近及物探异常区内，含水层富水性较强。工作面开采过程中仍存在 一定的底板突水危险性。 （3）目前，开采的 71303（上）工作面推进速度的确定缺乏扎实的科学依据。不同开 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 采参数设置引起的顶板岩层运动规律、支承压力分布及对底板的破坏会有很大差别，给承 压水上安全开采带来了新的挑战。 因此，确定悬顶采场围岩变形和破坏规律对采场围岩的管理控制、底板防治水及煤炭 的安全采出具有重要的理论和现实意义。 草灰 奥灰 徐灰 煤13 图 1.1 采场顶底板结构示意图 Fig1.1 Sketch map of top and bottom structure at face 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 由采动引起的从煤层底板至地表全部岩层（岩体）的应力变化、移动、破坏全部过程， 特别是采动引起的冒落性和开裂性破坏的全部过程，简称围岩运动和破坏，是采动影响中 的一个重要组成部分。围岩运动和破坏规律的研究是一个传统性的基础性课题，其目的是 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 为了减轻岩层运动对采矿工程或地面环境、地面建筑的影响。尤其是近年来，随着世界各 国对地面环境保护及安全生产的日益重视，人们加强了对开采引起的围岩运动以及由其引 发的相关事故（冲击地压、顶板淋水、底板突水）的研究，并取得了许多突破性的进展。 现将与之相关的研究简要回顾如下。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 远在十九世纪以前，人们就已经认识到采场围岩运动的规律，并进行了理论研究的初 步尝试。 1838 年， 多里斯及稍后的比利时人哥诺在研究岩层塌陷的问题时发表了一种观点， 后来发展为“法线规则”的多里斯哥诺理论。将顶板岩层作用力分解成两个分力，顶 板的运动只在法线力 P1影响下产生，因此得到采空区上部、下部边界旁的断裂面的方向是 相同的，断裂发生在边界正上方上下两个方向，角度为 90α，α为煤层倾角。这个理论 的幼稚性是易见的，但可肯定在我们的研究问题发展中曾起过巨大的作用，围绕这个理论 进行了长期争论。 哥诺的同时代人斯巴列稍有不同的描述了岩层移动，并首次提出了岩层弯曲断裂的感 念。假定移动是由于岩层在危险断面内的断裂引起的，断裂面内弯距最大，并认为岩层是 一个两端固定的梁，并给出了岩层断裂方式【1】。 “高斯理论”描述岩层移动时，认为在采空区上方直接形成了综合移动带塌落和 弯曲，而往上是纯弯曲带，并确定塌落带高度为 30～60m。 上世纪 50 年代，前苏联 Cг阿威尔辛等认为，在没有岩层破坏的状态中上覆岩层 几近于塑性移动过程，介质为塑性介质；到 60 年代，波兰 Salustowicz 等人在测定不同深 度重力加速度的大小时，发现地壳的外层部分在相对于其内层部分发生蠕变；70 年代初， 岩土工作者建立并验证适于描述长期荷载作用下岩石行为的流变模型，并对岩石流变特性 进行研究。 文献【2】 【3】对原联邦德国煤矿开采时采动损害进行了专门的分析。其中对水平煤层开采 时采动岩体垂直变形进行研究后认为，采空区上方存在垂直方向拉伸变形带，外侧则为压 缩带。文献还指出，如果有坚硬抗弯岩石覆盖于软岩之上，或者沿层面处容易分层的话， 在凸曲率过渡到凹曲率的地方，即在采区边界上方曲线拐点处可能发生的几毫米离层，随 后离层消失。在中间带的坚硬岩层中发生相互错动达 50mm。 对岩体水平移动和变形进一步分析文献指出，考虑时间因素的影响，从开始回采到岩 移过程完全停止，在岩体变形范围内，由于矿产采出和采出空间的收缩，不断发生静力平 衡的破坏，覆岩拉伸和压缩区的轮廓时刻在变化，各点的变形也在增大或减小。 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 文献[2]对岩体移动的计算时，认为岩层移动产生并开始于开采水平上，这里所发生的 直接顶的下沉是计算上覆岩层下沉的起始数据。下沉之前和下沉之后的直接顶板面所包含 的体积应相当于任意顶板岩层的沉陷盆地的体积，但应顾及由于顶板岩石的碎胀性及岩层 的弹性卸载扩张与弯曲压缩之差引起的体积减小。 文献进一步指出， 直接顶和老顶向采空区的下沉可以简化地看作平板或梁的弹性弯曲， 或把岩层看作非连续松散介质中颗粒位移，或者看作是开尔文流变模型所描述的介质的流 变过程。 处理岩移计算时，文献[2]采用了积分网格法、将岩体看作弹性介质的方法、将岩体看 作非弹性介质的方法、将岩体看作随机介质的方法及将岩体看成有限单元组成的介质等方 法进行分析计算。 文献【4】介绍了波兰在岩层移动及其控制领域的研究成果。从岩体层状分布的角度研究 开采对岩体的扰动，提出了求解采动应力及位移的方法，在理论和实践上对层状岩体的弹 性、粘弹性及弹塑性特征进行分析。应用解析方法对因煤层开采而在其周围的层状岩体内 产生的位移、应力应变分布进行了充分详尽的描述，提出了开采引起的岩层运动控制理论 和方法。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 建国后，我国对煤层开采引起的岩层运动破坏的研究进入了实用阶段，在总结国内外 已有成果并结合我国地质及开采情况，提出了至今仍占主导地位的“传递岩梁”和“砌体 梁”学说，为长壁工作面的矿压控制及采场上覆岩层运动的研究做出了巨大的贡献。 “传递岩梁”学说，也称之为“以采场上覆岩层运动为中心”的矿压理论，是山东科 技大学宋振骐院士等在铰接岩梁学说的基础上，深入研究分析了国内外的有关采场上覆岩 层运动和破坏理论后提出的。该理论以两个岩块组成的结构为模型，认为，在一定采高、 推进速度和顶板组成的条件下，平衡结构的存在是必然的，其重点是从结构向煤壁前方和 采空区矸石传递力的方向。在进行支架围岩关系研究时，加进了“存在坚硬岩层”的前提 条件。其后，姜福兴等年轻学者进一步拓宽了“老顶结构”的可能形式【5】，其中“梁” 、 “拱 梁” 、 “类拱”三种老顶基本形式的提出为采场顶板控制设计专家系统的知识推理提供了比 较丰富的模型，并能反映老顶岩层组成的力学特性及不同条件下老顶结构的复杂性。蒋金 泉教授在“传递岩梁”学说中引入了岩板理论，拓宽了对老顶岩层运动形式和规律的认识。 “砌体梁”学说集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构平衡条件，其是中国 矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出的，该理论研究更适用于坚硬顶板岩层的采场。 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 1.2.2.1 围岩运动变形特征研究现状 在围岩运动变形特征方面的研究，可谓是百家争鸣，众学说林立。煤炭科学研究院的 刘天泉院士的覆岩破坏学说，按照覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三 带” ，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，并对离采场较近的裂隙带形态及力学特征进行 了描述。中国矿业大学的钱鸣高院士，根据对采场底板的层状结构特征，将破断前的老底 视作板结构，破断后的块状体视作“砌体梁”结构，用板的极限原理分析理论分析各种边 界条件下底板的破坏极限荷载和形态及最大变形点位置【6】。 1.2.2.2 岩层控制理论及技术研究现状 随着围岩运动和破坏规律研究的进展，对围岩运动的研究已扩展到岩层工程控制理论 及技术的研究，比较有代表性的为中国矿业大学钱鸣高院士等的岩层关键层理论。他们在 现场观测及实验中发现，由于各坚硬岩层的特征不同，并不是每一层坚硬岩层都对采场上 覆岩层的运动起决定作用，有时仅为一层或几层，因此，把这种对岩层活动全部或局部起 决定作用的岩层称之为关键层，前者称为主关键层，后者称为亚关键层，并提出了关键层 的五个特征，几何特征（厚度大） 、岩性特征（弹模大、强度高） 、变形特征（上层全体或 局部与其同步协调） 、破断特征（该层破断