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西安科技大学 硕士学位论文 综放开采顶煤破坏机理研究 姓名杨占国 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师索永录 论文题目综放开采顶煤破坏机理研究 专 业采矿工程 硕 士 生杨占国 （签名） 指导教师索永录 （签名） 摘 要 提高工作面回采率一直是综放开采研究的核心问题之一，因此深入认识顶煤破坏机 理，掌握顶煤破坏垮落的基本规律，对提高综放工作面回采率，实现安全高产高效具有 重要意义。 本文采用实验室 MTS 煤样力学特性实验、相似材料模拟实验、计算机数值计算和 理论分析方法，以建北煤矿 101 综放工作面为典型研究对象，对综放开采顶煤破坏机理 进行了比较深入的研究。 根据实验室 MTS 煤样力学特性实验，分析了煤样变形破坏的基本特征，拟合得到 了实验煤样的应力应变关系式，以及破坏准则的应力表达式和应变表达式；分析了煤体 内节理裂隙的分布特征，及其产状对综放开采顶煤破坏的影响规律；根据相似材料模拟 实验，分析了顶煤破断、垮落特征和工作面前方支承压力分布特征；应用数值计算分析 综放开采顶煤体应力场分布特征、位移及破坏区分布特征；通过分析支承压力分布区和 控顶区顶煤的力学属性，认为支承压力分布区顶煤已经变为塑性介质，而控顶区顶煤产 生剪切滑移破坏；运用断裂力学理论，建立了顶煤破坏的整体力学模型，并导出了顶煤 扩容破坏的力学表达方程式。 关 键 词综放开采 顶煤 破坏机理 断裂力学 研究类型应用研究 Subject Study of Top-coal Breaking Mechanism for Fully Mechanized Coal Caving Specialty Mining Engineering Name Yang Zhan-guo signature Instructor Suo Yong-lu signature ABSTRACT Improve the working surface recovery ratio has been the synthesis lets loose picks one of research core questions, therefore knew thoroughly goes against the coal failure mechanism, grasps goes against the basic rule which the coal destruction breaks down falls, to enhances the synthesis to put the working surface recovery ratio, realizes the security high production to have the important meaning highly effective. This paper uses laboratory MTS the coal sample mechanics characteristic experiment, the similar material modelling, the computer numerical calculus and the theoretical analysis , north take constructs the coal mine 101 syntheses to put the working surface as the model object of study, let loose to the synthesis picks goes against the coal failure mechanism to conduct the quite thorough research. According to the laboratory MTS coal sample mechanics characteristic experiment, has analyzed the essential feature which the coal sample distortion destroys, fitted the experiment coal sample stress strain relationship, as well as failure criterion stress expression and strain expression; Has analyzed the coal in vivo jointing crevasse distributed characteristic, and the occurrence lets loose to the synthesis picks goes against the influence rule which the coal destroys; According to the similar material modelling, analyzed has gone against the coal breaking, to break down falls front the characteristic and the working surface the force of support distributed characteristic; The application numerical calculus analysis synthesis lets loose picks goes against the coal body stress field distribution characteristic, the displacement and the destruction differentiates Boott to draft; And controls through the analysis force of support distribution area goes against the area to go against the coal mechanics attribute, thought that the force of support distribution area went against the coal already to become the plastic medium, but controlled goes against the area to go against the coal to have the cutting slipping destruction; Using the fracture mechanics theory, established has gone against the overall mechanical model which the coal destroyed, and derived has gone against mechanics expression equation which the coal dilatancy destroyed. Key words fully mechanized coal caving top-coal breaking mechanism Fracture Mechanics Thesis Application Research 1 概述 1 1 概述 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 综放开采是二十多年来在我国迅速发展起来的一种开采特厚煤层的高产高效新技 术。由于综放开采产效高、成本低、投入产出效果好，目前在我国已得到广泛应用，绝 大多数采用综放开采的矿井都取得了良好的技术经济效果，最高单产已超过 10Mt/a，工 效达到 200t/工以上。综放开采技术将特厚煤层的资源优势变成了生产效益的优势，已成 为我国厚及特厚煤层开采矿井实现集约化高效生产的技术发展方向之一。 但是我国自推广综放开采以来，平均回采率只有 79，较高的在 85，较低的甚至 低于 75[1]。对于复杂条件下较薄厚煤层的综放开采，这一矛盾更加突出。综放工作面 采空区遗留残煤既造成资源浪费，又为采空区自然发火提供了可燃物，给安全生产留下 隐患。因此如何减少顶煤损失，提高工作面回收率，一直是综放开采技术发展过程中的 一个重要问题。 放顶煤工作面煤炭损失主要包括工艺损失、初末采损失以及区段煤柱损失等，其中 工艺损失即放煤损失，在正常情况下，损失率约为 712，一般占工作面全部损失的 1/2 到 2/3，损失的多少直接与放煤工艺、煤的可放性、煤厚、支架架型等因素有关。而 放煤工艺的改进又必须以了解和掌握顶煤和顶板运移破坏规律为前提，因为综放开采的 实质是利用矿山压力自然破煤，根据煤体自重落煤，所以顶煤破碎是前提条件，而顶煤 的破碎与顶煤和顶板的运动规律又是息息相关的。尤其是在较薄顶煤的情况下，顶煤较 易破碎导致放煤口混矸严重，在影响放煤效果的同时造成综放工作面回采率低。对综放 面顶煤破坏机理的研究，有助于确定顶煤的可放性、有效控制工作面端面冒顶和煤壁片 帮、确定合理的放煤工艺和支架参数，从而提高煤炭回收率，提高实际生产效益。研究 顶煤变形破坏机理具有重要的理论意义和应用价值。 1.1.2 研究意义 我国厚煤层储量丰富，特别是陕、甘、宁、新等西部地区分布着大量的厚煤层，大 部分为低硫、低磷的环保型优质煤，如陕西的神府、榆神、彬长煤田，新疆的硫磺沟煤 田、宁夏的宁东煤田等。西部地区作为我国 21 世纪能源承接地，采用新技术实现这些低 硫、低磷的环保型优质煤炭资源的高产高效开采对环保和西部煤炭工业的可持续发展具 有重要的意义。 西安科技大学硕士研究生学位论文 2 综合机械化放顶煤开采技术已经成为一种具有中国特色的厚煤层高产高效的一次采 全厚的采煤方法。该技术的核心是顶煤的放出，而顶煤的放出又取决于顶煤在放煤口位 置的破碎程度。根据前人的研究，顶煤的破坏发展过程沿工作面推进方向可划分为四个 分区从煤壁前方到放煤口位置依次为完整区、裂隙发育区、破坏发展区和垮落破碎区。 顶煤经历上述四个过程之后，才有可能在放煤口位置顺利放出，从而实现放顶煤开采。 但是，由于顶煤的破坏发展过程受影响的因素较多，如顶煤的厚度、强度、刚度、 直接顶载荷、支架的作用、岩梁的运动、超前支承压力以及工作面推进速度等等，这些 都在一定的程度上影响着顶煤的破坏发展过程以及顶煤的放出效果，所以研究综合机械 化放顶煤工作面顶煤破坏机理， 既有利于综放面管理， 又可以合理确定工作面推进速度， 更有利于顶煤放出，提高放顶煤工作面采出率。 1.2 相关研究动态 1.2.1 国内外综放开采技术的发展与现状 1 国外综放开采技术的发展与现状 综放开采技术最早出现在国外，当时在采矿界受到广泛的重视。1957 年，前苏联研 制出 KTY 型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克矿使用，在 912m 特厚煤层铺底网预采顶分层，然后沿煤层底板放顶煤开采，并在工作面中间向煤 体打眼放炮，崩酥顶煤，从支架顶梁天窗放煤。虽然前苏联是最早进行综放开采实验的 国家，但开始由于液压支架技术不过关以及不能控制软煤层顶煤局部严重冒顶的问题而 未取得成功，而后又因未能解决回采率低的问题而受到指责，20 世纪 80 年代以后综放 开采逐步消失。 1962 年前南斯拉夫开始引进综放设备，并逐渐实现综放开采，先后在施塔拉矿、玛 雅矿、韦莱涅市的 RLV 矿、特尔博夫莱矿、蒂乌尔戴维克矿、维雷耶矿、博戈维纳等矿 井运用，其主要架型为维斯特伐利亚、道梯、玛雷、赫姆夏特、贝考里特及 KTY 液 压支架。 1963 年法国研制成功了“香蕉”型支撑掩护式放顶煤液压支架，1964 年在布朗齐矿 区使用并获得成功，随后又研制出四柱支撑掩护式支架；20 世纪 70 年代末法国玛雷公 司又研制出 FB21-30S 型掩护式放顶煤支架，取得了较好的经济效益，工作面采出率达 到 90％以上。 20 世纪 70 年代，捷克和斯洛伐克在诺瓦基、齐盖尔、汉德洛瓦等煤矿运用综放开 采厚煤层，其架型有DVP-5A 型、1K70/900HD 型、MHW4500-20/30 型、2MKE 型、 BME-2.0/3.0 型放顶煤液压支架。 20 世纪 80 年代初，匈亚利成功研制单输送机前开天窗式放顶煤液压支架，先后在 1 概述 3 多罗戈、梅茨赛克、塔塔巴尼、为什普雷姆、博尔索德、阿尔米姆、尤卡伊、达克西等 矿采用综放开采，使用的架型有 VHP-421 型、YHP-720 型、MVDD-120 型、MVDD-20/2 型，其中前两种为高位放煤，后两种为中位放煤。 从 20 世纪 70 年代开始，综放开采支架沿两条思路发展。一条是前苏联、前南斯拉 夫、波兰、匈牙利等东欧国家在 KTY 支架基础上逐渐改进，把放煤口位置由顶梁前部 改在顶梁后部，使用液压支柱控制放煤口开关，工作面采煤机采煤和放煤共用一部输送 机，支架尾梁封闭，属支撑掩护式支架，如匈牙利的 VHP 系列支架；另一条思路是法 国、原西德、英国、西班牙等国，在节式香蕉型支架基础上不断发展，工作面布置前、 后两部输送机，放煤口用千斤顶带动开闭，如英国道梯公司的 400T 掩护式综放支架等。 此后，波兰、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际能源结构变 化等原因，80 年代后国外综放技术开始萎缩。受到多种因素影响，此项技术当时在国外 也没有得到进一步的应用和发展， 单产水平和效率等主要技术经济指标都没有明显提高， 使用综放技术开采的工作面也越来越少，这就是人们所说的欧洲综放技术发展“由热到 冷”的现象[2]，到 90 年代初在国外只有法国和前南斯拉夫等极少数矿井使用[3]，而且从 此时开始难以见到国外有关综放开采方面的文献报道。 2 国内综放开采的发展与现状 长期以来，我国普遍采用长壁分层的方法开采厚煤层，大部分取得了较好的经济效 益。但是对一些特殊条件下的厚煤层，如急倾斜特厚煤层、赋存不稳定煤层、 “三软”煤 层、地质构造复杂煤层以及边角煤、小块段煤等，用长壁分层的办法很难做到连续的机 械化生产， 劳动强度大、 不安全、 效益差。 例如辽源局梅河三井、 四井在 70 年代投产后， 根据急倾斜特厚煤层的特点， 曾先后实验 “金属网假顶斜切分层” 、 “柔性掩护支架” 、 “滑 移支架”和“巷道长壁”等采煤方法，均没有解决生产和安全的根本问题。1986 年开始 实验综放开采，取得了较好的经济效益。20 世纪 80 年代中期开始，世界煤炭工业的总 体结构及技术状况发生了重大变化， 发达国家在 70 年代实现综采的基础上， 迅速向矿井 生产集中和工作面高产高效等方向发展， 涌现出了一批日产万吨、 超万吨的综采工作面， 最高月产 60 万 t 以上。这些高产高效的综采面，主要靠采用新一代生产技术装备来实现 的，当时我国煤炭工业正处在现代化建设阶段，生产技术水平提高很快，但是与先进采 煤国家比，差距仍然很大，要想达到国际水平，最重要的是采用机电一体化的重型设备， 提高工作面的电压等级等生产技术。在我国当时的情况下，煤矿都采用这些先进技术和 设备是不可能的，甚至在相当长的一个时期内也难以实现。因此急需找到既不需要大量 投入，又能达到高产高效的方法，综放开采技术正好适应了这种要求。我国煤炭开采实 践证明，综放开采是厚煤层实现高产高效最便捷的方法，也是一条适合中国国情的高产 高效之路。综放开采与分层开采比，优势明显。在市场经济大潮下，煤炭企业要自负盈 亏，从而激发了企业采用适合自身地质条件、技术条件的高效高产技术的主动性，因此， 西安科技大学硕士研究生学位论文 4 广大煤炭企业对综放技术有强烈的要求，从而促进了综放开采在我国的发展。 我国综放开采的发展始于 80 年代，1984 年 6 月在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研 制的 FY400/14/28 综放支架开始实验，后因支架稳定性差，四连杆强度不足损坏严重， 加之设备的配套性不好，支架不能前移，终止实验；1987 年，平顶山矿务局一矿引进了 匈牙利 VHP-732 型高位插底式放顶煤液压支架，取得了平均月产 44206t，最高月产 55000t，回采率 79.6，平均工效 25.5t 的初步成绩；1988 年阳泉矿务局、1989 年潞安 矿务局开始实验，超过了以前各局所取得的效果。与此同时，在窑街、靖远、晋城、郑 州、 兖州、 辽源、 乌鲁木齐、 平庄等矿务局推广使用。 从 1984 年第一个实验工作面算起， 到 1994 年的 10 年间，我国综放技术迅速发展，20 世纪 90 年代我国综采发展中取得的 最具影响的创新成果是综放技术的实验成功[4]。1994 年全国综放开采总产量达到 3680104t，有 28 个矿务局，62 个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的有 21 个， 6 个综放队单产超过 200 万吨，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、安全保障等方面做 了大量的理论研究和现场实验，为以后的发展打下了坚实的基础。1995 年兖州矿务局兴 隆庄矿将综放单产水平提高到 315.67 万吨，1997 年兖州矿务局东滩矿的综放单产达到 410.18 万吨、工效 203.9t/工的世界水平，1998 年该矿综放队再创年产 501.6 万吨、工效 235.4t/工的纪录；到 1998 年，全国综放总产量达到 7000104t，综放工作面总数达到 82 个，全国 64 个百万吨综采队中，有 22 个是综放队，其中 9 个队的年产达到 200104t 以 上，占当年 200104t 队的 81.8；1998 年，通过煤炭工业部“九五”科技攻关，取得了 “两硬”条件下综放开采的工业实验成功，彻底冲破了硬煤综放开采的“禁区” ，在硬煤 中实施预注水、预爆破弱化顶煤都取得了明显的效果。2002 年 11 月，兖矿集团兴隆庄 煤矿综放工作面创出了日产 2.24 万吨的历史最好水平， 进一步提升了我国综放核心技术 在国际上的领先地位。 综放技术在两种不同类型的矿井条件下都得到了长足的发展大型、特大型矿井使 用综放开采的条件好，工作面单产、效益大幅度增长；大量矿井井型较小1,K K，应变曲线位于 应力强度曲线之上， 表明随围压增加， 极限应变比峰值应力增加更快； 反之， 21 r ，固定 2 σ和 3 σ值不变，可由强度准则求出最大主应力方向上的极限抗压 强度 1 σ。这样，由式2.19便可以求出对应于 1 σ的极限应变值 1 ε。 由此可见， 这里建立的应变强度准则2.19并没有完全抛弃人们所熟知并广泛使用的 应力强度准则。实际上，它将应力强度准则与应变强度准则，通过部分实验结果有机联 系起来，为应力强度准则转化为应变强度准则建立了一种关系。 2.4.3 应力应变关系表达式 在三轴应力状态下，岩石的应力应变关系很难用一个明确的函数关系来表达，一般 是通过实验结果来寻找两者之间的对应得函数关系。在工程上，根据实验结果得到一系 列数据采用插值法拟合近似得到要寻找的函数已经成为一种较普遍和受欢迎的方法。 本次实验采用实验数据拟合的方法得到实验煤样的应力应变特性曲线，根据拟合结 果发现，实验煤样的应力应变特性曲线可以用5次多项式很好的拟合式2.20、图2.12。 图中y为拟合函数，R为相关系数。 2345 123456 aaaaaaσεεεεε 2.20 式中ε为轴向应变；σ为轴向应力，MPa； 123456 ,,,,,a a a a a a为常数。 根据拟合曲线可以发现，实验煤样的应力应变过程曲线呈”S”形，煤样属于塑-弹- 塑性体，是一种以孔隙和列裂隙行为为主导的变形。在压应力作用下，先是孔隙裂隙的 闭合，煤样刚度变大，曲线的斜率增大上凹，孔隙裂隙闭合后，煤样发生弹性变形，其 后裂隙稳定扩展生成新的裂隙，曲线下凹，发生扩容直至破坏。 0.00000.00250.00500.00750.01000.01250.01500.01750.0200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Y 1.99462-2744.81932 X1.17613E6 X 2-1.18524E8 X3 5.98534E9 X 4-1.18625E11 X5 R0.9993 轴向应力/MPa 轴向应变 6MPa 0.0000.0050.0100.0150.0200.025 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Y -3.668973783.78059 X-841850.78719 X 2 1.14703E8 X 3-5.30241E9 X47.49535E10 X5 R0.9107 轴向应力/MPa 轴向应变 8MPa 2 煤样力学特性实验研究 25 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Y 2.47893-2733.78451 X843546.97132 X 2-5.95561E7 X3 2.07173E9 X 4-2.81425E10 X5 R0.9996 轴向应力/MPa 轴向应变 10MPa 图 2.12 不同围压下应力应变关系拟合曲线 2.5 本章小结 本节通过对不同煤样在不同条件下破坏变形过程中力学参数实验研究和分析，初步 得出一下主要结论 1 煤样在单轴压缩作用下，在峰值应力前可以划分为三个阶段裂隙压密阶段、 弹性变形阶段和塑性变形阶段。 2 煤样在三轴压缩作用下，应力应变全过程曲线可以划分为四个阶段裂隙压密 阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。 3 在单轴、三轴压缩实验中，煤样的屈服应力大约为峰值应力的80，屈服点对 应的体积应变最大，在屈服点之前，煤样的体积都在减小，过了屈服点之后，煤样的体 积开始增大，而且增大的很快，到峰值应力时基本恢复到原体积；煤样在受压破坏过程 中有扩容现象。 4 煤样在单轴压缩条件下呈轴向劈裂破坏，或同时存在贯穿煤样的主破裂面，其 破裂机制是以张拉破坏为主，局部剪切破坏。其破坏类型分一下几类单斜面剪切破坏、 楔劈型张剪破坏、拉伸破坏；在三轴压缩作用下，煤样主要为剪切破坏。 5 根据煤样三轴压缩实验结果极限应力、极限应变和围压的关系经插值拟合建立 煤样破坏准则的应力表达式和应变表达式。煤样破坏准则的应力表达式为 1 13 c 1 K σ σ σ ，煤样破坏准则的应变表达式为 11 cc 1r1 εσ εσ ⎛⎞ − ⎜⎟ ⎝⎠ 。根据实验得到的一系 列 数 据 ， 经 过 插 值 拟 合 得 到 实 验 煤 样 的 应 力 应 变 关 系 曲 线 2345 123456 aaaaaaσεεεεε。 西安科技大学硕士研究生学位论文 26 3 煤体结构面特征分析 长期以来，综放开采顶煤破坏机理的研究一直是放顶煤开采理论体系研究的一个重 要内容。传统的研究方法是将顶煤视为连续、均质和各向同性介质，并对其应力和强度 进行分析，以此来解决顶煤的破坏问题。但是随着人们对煤体破坏过程和破坏机理的深 入研究，发现煤体的破坏实际上是裂纹的断裂和扩展过程。而且大量的研究表明，顶煤 体的破坏主要是沿煤体内原有裂隙发展，所产生的新裂隙所占的比例很小。因此，系统 的研究煤体结构面分布特征对于研究综放开采顶煤破坏机理具有重要的工程实际意义。 3.1 结构面成因及特征 煤体中的结构面主要有四种层理、内生裂隙、外生裂隙和次生裂隙[42]。 层理是煤体在沉积过程中，由于不同的矿物颗粒、不同的矿物成分等成层沉积和沉 积时间差异而呈现的分界面。层理有不同岩性的分界面，例如煤与矸石之间的分界面， 也有不同组分之间的分界面，如不同煤岩组分之间的分界面，前者的粘结力小，弱面强 度低，后者相对粘结力大，弱面强度高。不同煤岩组分和煤岩类型相间排列而形成层状、 条带状或线理状弱面结构，它们一般与煤层层面基本平行。 内生裂隙是成煤过程中受上覆岩层压力和温度作用，因脱水体积收缩产生内张力而 生成的，与构造变动无关，因此内生裂隙主要存在于煤体内的各个分层内，大体垂直于 层理面，为原生型。这种裂隙在煤体内非常细微，一般肉眼不易发现，其对顶煤的破坏 影响不大。 外生裂隙是由地质构造运动所产生的裂隙，其特点是贯穿煤层的层理或层面，方向 主要取决于构造应力的方向。由位错的外生裂隙，称为断层。因此煤体中主要外生裂隙 的方向往往与该地区断层的方向大致一致，为构造型，且往往有充填物，也称为构造裂 隙，也有人称之为节理。构造裂隙按其力学性质可分为张裂隙和剪裂隙两类。张裂隙是 由张应力引起的裂隙，其形态特征是裂口稍微张开，裂隙面粗糙不平，没有擦痕，沿走 向和倾向都尖灭很快。构造裂隙对顶煤破坏有很大的影响。 次生裂隙主要受采动影响，在支承压力或爆破力作用下生成的裂隙。支承压力影响 下生成的裂隙，亦称为矿压裂隙，它往往与长壁工作面方向平行出现。 建北煤矿4-2煤结构面分布特征煤层常见阶梯状，少量贝壳状、参差状以及棱角状 状断口；外生裂隙较发育，裂隙面常被方解石和黄铁矿薄膜充填图3.1；结构以条带状 为主，偶见线理状结构，层状构造，煤层水平层理发育图3.2。 3 煤体结构面特征分析 27 图 3.1 煤样外生裂隙分布及充填情况 图 3.2 煤样层理分布图 以上四种结构面共存，构成了煤体内一定规则的裂隙系统。从对顶煤破坏机理的影 响来看，这里的结构面主要是指外生裂隙和次生裂隙。 3.2 结构面的几何特征描述 实践研究发现，综放开采时顶煤的破坏并不是简单的取决于实验煤样的强度，还与 煤层中裂隙等结构面的分布特征、发育程度及相对于工作面布置组合差异有关。然而煤 体中随机分布的层理、节理、裂隙等结构面，地质勘探阶段无法查明，只能在生产阶段 才能揭露。近数十年来，数理统计方法在定量统计节理裂隙发育规律方面得到了广泛的 应用。 结构面特征可由其几何参数来表达。结构面的几何特征包括形态、方位、间距、 规模、隙宽、粗糙度、壁面强度和充填性等。见表3.1 通过对现场煤样的抽样统计，可以得出结构面的各种几何参数的概率分布形式和数 字特征。 西安科技大学硕士研究生学位论文 28 表 3.1 煤体结构面主要的定量描述指标[19] 指标 定义 方位 结构面的空间位置，用倾向和倾角来描述 间距 相邻结构面之间的垂直距离，通常指的是一组裂隙的平均间距或典型间距 延续性 在露头中所观测到的结构面的可追索长度 粗糙度 固有的表面粗糙度和相对于结构面平均平面的起伏程度 组数 组成相互交叉裂隙的裂隙组的数目，岩体可被单个结构面进一步分隔 岩块尺寸 由交叉着的裂隙组彼此的方位以及由单一组的间距形成的岩块尺寸 3.2.1 结构面组数和产状 在现场获取大量煤体结构面数据后，及时整理分析，提取有用信息。煤体结构面数 据的整理和统计分析采用一般图表的形式表示，如直方图、玫瑰花图、极点图、等密图、 赤平投影图等。建北煤体结构面统计分析表明，结构面的分布具有明显的方向性，致使 煤体表现出显著的各向异性特征和非均质性。煤体中结构面的组数和每一组结构面代表 性产状，可通过数理统计方法确定。 结构面产状要素有走向、倾向和倾角，分别按走向、倾向和倾角进行统计，求出走 向、倾向和倾角的概率密度分布函数形式及相应的均值与方差。建北煤矿煤层为水平煤 层，结构面产状数据的倾向或倾角分布具有对称性，因此可将其拟合成正态分布函数[18 ， 24]。 2 2 2 1 2 1 μ σ σπ −− t etf 3.1 式中t为倾向或倾角；μ为t的均值； 2 σ为方差。且 1 1 n i i t n μ ∑ 3.2 22 1 1 1 n i i t n σμ − − ∑ 3.3 3.2.2 结构面的密度和间距 1 结构面密度 结构面密度分布对于正确评价煤体不同块段结构面发育程度或构造复杂程度，并在 此基础上合理的进行煤体结构分类评价具有重要的意义。 结构面的密度是指煤体中发育的各组结构面各自的密度程度。它可用结构面的线密 3 煤体结构面特征分析 29 度、面密度和体密度以及结构面的间距来表示。 2 结构面间距 结构面间距是指同一组结构面法线方向上该组结构面的平均间距。结构面的平均间 距是结构面线密度的倒数。 关于结构面间距的划分，至今国内外还没有统一的方法和标准。国际岩石力学学会 专业委员会1978建议将结构面间距划分为7级见表4.4 表 4.4 结构面间距分级表 描述 极密集 很密集 密集 中等 稀疏 很稀疏 极稀疏 间距m 6 根据建北煤矿井下观察，该煤层岩性和结构分布都非常均匀且受构造变形的影响又 很简单，煤体中结构面间距服从均匀分布。 3.2.3 结构面分布蒙特卡罗模拟 煤体结构面的计算机模拟与现场采样统计过程相反。现场实测统计过程是根据煤体 中结构面网络形式，来求出表征网格形式的几何参数的数字表征和概率分布形式；而煤 体结构面计算机模拟是上述过程的逆过程，即根据实测到的结构面几何参数的概率分布 形式，求出服从这些分布函数的几何图像，由此得到煤体结构模型。通常用蒙特卡罗方 法实现这种逆过程。根据建北煤矿4-2煤的赋存情况和现场观测，模拟结果如图3.3。 图 3.3 节理裂隙模拟结果 3.3 结构面对煤样强度的影响 由表2.2可知，煤样在单轴压缩作用下其抗压强度明显不同，最大值是25.57MPa， 而最小值仅9.42MPa，其离散系数达到0.52。由图2.5可知，主要是因为煤样中分布有 西安科技大学硕士研究生学位论文 30 大量的外生裂隙和层理等结构面，它们的存在大大的减弱了煤样的强度。 由表2.3可知， 煤样在三轴压缩作用下其抗压强度也存在差别。 在围压6MPa和8MPa 作用下， 其抗压强度的平均值分别为52.15MPa和52.80MPa， 几乎相等； 而在围压10MPa 作用下，其抗压强度平均值仅为14.05MPa。不符合”随围压的增大，岩石的抗压强度明 显增大”的结论，这主要是因为煤样中分布的外生裂隙和层理等结构面的影响。 由实验结果可以看出，由于煤样中节理裂隙等结构面的存在使煤样的抗压强度明显 的减小，因此可以认为顶煤体的强度、变形破坏特性受煤样强度与结构面分布特征、发 育程度以及结构面强度的综合控制。 3.4 结构面特性对顶煤破坏的影响 综放工作面顶煤的破坏要受到多种因素的影响，其中煤体中的节理、裂隙等结构面 的分布方位、间距、倾角对顶煤的破坏都有重要的影响。层理在煤层中是普遍存在的， 煤体裂隙可分为单组、双组及三组之分。根据裂隙方位可分为平行工作面、斜交工作面 和垂直工作面三种；从倾向上大致有倾向工作面煤壁和倾向采空区两种；从裂隙的间距 上分为发育、较发育和不发育等。 3.4.1 单组裂隙特征对顶煤破坏的影响 在单组裂隙分布和存在层理时，考虑一般情况，即裂隙方位角和工作面煤壁斜交情 况，则顶煤破坏受力分析力学模型如图3.4。裂隙方位和工作面的夹角为α，裂隙弱面 与水平的夹角不考虑煤层倾角时的裂隙面倾角为ϕ，裂隙间距为b、分层厚度为 1 h，控 顶距为 1 l。 图 3.4 单组裂隙分析力学模型 由于该结构类似悬梁结构，破坏主要是在载荷作用下，先发生悬梁的拉破坏，在发 生剪切破坏，故以悬梁的拉破坏作为强度准则，分析顶煤体受裂隙分布特征影响的破坏 规律。通过理论计算和推到得 3 煤体结构面特征分析 31 { 22222 1max1101201211 3sin2[cossin tansin cos ]}lhCbhσα σσα σϕϕσσϕϕσ−−−≥i 3.4 根据3.4式分析研究，单组裂隙分布特征对顶煤破坏的影响变化规律为 1 裂隙方位角对顶煤破坏的影响。α的变化范围式090。随裂隙从平行工作 面煤壁到斜交工作面煤壁直到垂直工作面煤壁，即α从0之间增加到90，αsin为增 函数，而 1 1 sinσα∝ ，所以最大应力 1 σ逐渐降低。因此，随α的增大，顶煤破坏难度增 大，当裂隙方位垂直工作面煤壁时90α≈ ，顶煤最难破坏；当裂隙近似平行于工作面 时0α≈ ，顶煤最容易破坏。 2 分层厚度和层理发育程度对顶煤破坏的影响。在公式3.4中，参数 1 h反映了煤 层水平层理发育程度对顶煤破坏的影响。层理发育时 1 h减小， 1 σ增加，这说明随着分层 厚度 1 h较小和水平层理发育将会使顶煤容易破坏；当层理步发育时 1 h增加， 1 σ减小，因 此分层厚度 1 h增加，大大的增加了顶煤的破坏难度，这说明水平层理不发育将会大大的 增加顶煤的破坏难度。 3 裂隙面倾角ϕ变化对顶煤破坏的影响。 在公式3.4中， 裂隙面倾角ϕ变化对顶煤 破坏的影响实际上是sinϕ和cosϕ的变化对顶煤破坏的影响。ϕ的变化范围为0 90 ， 令 12 σσ ，将tanϕ和 2 σ代入式3.4整理得出 1 σ和ϕ的关系式 { 22222 1max11101 3sin2[1.0908cos0.35sin0.2517]}lhCbhσασϕϕσ−−− 3.5 根据公式3.5，在其他参数不变的情况下，ϕ从0 90 增加变化时，即裂隙面从 水平逐渐变为垂直状态时， 1 σ逐渐增加，从而使顶煤的破坏容易。进一步分析证明，当 裂隙面倾角ϕ在0 75 之间变化时， 1 σ增大较快，即ϕ得增加对顶煤的破坏影响较为 显著；当75ϕ 之后，随着ϕ角的增大， 1 σ变化不大，对顶煤破坏的影响基本相同。 4 裂隙间距对顶煤破坏的影响。在式3.4中b值反映了煤体内裂隙间距对顶煤破 坏的影响。单组裂隙间距b值越小，裂隙愈发育，在分层厚度 1 h和上部载荷 12 σσ、 不变 的情况下，相当于 1 h b值加大成为悬梁，悬梁的抗剪刚度相对增加， 1 σ降低，顶煤难以 破坏。由此可知，在单组裂隙间距愈小的情况下，要求层理更加发育，分层厚度 1 h更小， 才能使顶煤易于破坏。 5 裂隙面强度参数 00 Cϕ、及煤体抗拉强度对顶煤破坏的影响。在公式3.4中。煤 体的抗拉强度 t σ越大，顶煤破坏越难，反之亦然。裂隙面强度参数 0 C 内聚力和 0 ϕ内 摩擦角变化对顶煤破坏难易亦有影响。 当裂隙面的内聚力 0 C和内摩擦角 0 ϕ减小时， 1 σ变 大，顶煤易于破坏，而 0 C和 0 ϕ增大时顶煤破坏难度增大。一般情况下，内摩擦角 0 ϕ变 化不大，而内聚力 0 C差异明显。当裂隙面开裂张开时，其内聚力很小，顶煤极易沿裂隙 面滑移破坏。 西