动压区巷道破坏规律及加强支护研究.pdf

分类号T D 7 1 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密级 垒珏 单位代码 Q Q 2 互 动压区巷道破坏规律及加强支护研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 常猛 高永格 工学硕士 采矿工程 资源学院 河北工程大学 l I I I III I I I I I I I I II I I I I II II Y 2 5 5 5 16 3 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g S u p p o r t o fd y n a m i cp r e s s u r ea r e ar o a d w a y d a m a g e a n ds t r e n g t h e nl a w C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t C h a n gM e n g G a o Y o n g g e M a s t e ro f E n g i n e e r i n g M i n i n gE n g i n e e r i n g R e s o u r c eI n s t i t u t e H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g 一’-，■-， M a y , 2 0 1 4 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇垦三壁盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学雠文储虢易红姆嗍沙妒少月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦墨猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦三壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位敝储虢屏眵签字嗍矽弘≈月涉日 导师签名 签字日期≥- ，fL f 年岁月Ⅸ日 摘要 摘要 动压区巷道受采场采动影响，表现出强烈的变形破坏特征，严重影响煤矿 安全生产。煤矿巷道中，动压巷道的围岩条件、应力状况最为复杂，加之工作 面超前支承压力反复波动变化，造成动压巷道围岩变形严重，有的巷道服务期 间需要多次返修，增加了支护成本。 羊东矿是峰峰集团公司的主要生产矿井，地面标高 1 5 6 m ，现阶段正在开 采．6 2 0 水平以上煤层，该水平以上剩余资源有限。矿井已经开始向深部延深， 下一水平在一8 5 0 水平，．8 5 0 部分巷道已经施工，一6 2 0 8 5 0 水平之间6 条上山 基本到一8 5 0 水平大巷，巷道没有表现出较大变形。一旦上述巷道受到区段工作 面开采动压影响，巷道将面临强烈的变形破坏。另外该区域采场埋深在7 7 6 1 0 0 6 m ，属于典型的深部开采，同时该区域是新开发区域，采动影响引起的巷 道变形机理及规律和采场覆岩运动特征并未详细掌握。 本论文研究利用理论分析、F L A C 3 D 数值模拟计算以及现场试验研究等方 法，结合羊东矿8 4 6 3 工作面沿空留巷具体实例，对采场支承压力分布及覆岩运 动规律和动压区巷道变形特征及破坏机理进行了分析和探讨，研究成果对于羊 东矿控制深部动压区巷道稳定性具有重要的现实意义，同时对于羊东矿实施无 煤柱开采沿空留巷矿压显现规律及支护方案可行性提供了基础数据和积累了宝 贵的经验。 关键词动压区；超前支承压力；巷道变形规律沿空留巷；支护控制 A b s t r a c t A b s t r a c t T u n n e l si nd y n a m i cp r e s s u r ef i l e dt e n dt od e f o r mw h e nm i n i n gi su n d e r w a ya n d t h e r e f o r ep u tag r e a tt h r e a tt om i n i n gw o r ks a f e t y ．A st h es u r r o u n d i n gr o c ka n ds t r e s s s t a t eo ft u n n e l si nd y n a m i cp r e s s u r ef i e l da r em o s tc o m p l i c a t e da m o n ga l lm i n e t u n n e l s ，a n dt h es e r i o u sd e f o r m a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka sar e s u l to ff o r eb e a r i n g p r e s s u r ef l u c t u a t i o n so fc o a ls u r f a c e ，r e p e a t e dr e p a i ra r ea l w a y sn e e d e da n dt h e s u p p o r t i n gc o s ta r et h u sr a i s e dd u r i n gt h em i m n gp r o c e d u r e ． B e i n gt h em a i nw o r k i n gm i n eo fF e n g f e n gG r o u pC o ．，l t d ，Y a n g d o n gC o a lM i n e h a sag r o u n de l e v a t i o no f 15 6 ma n dp e o p l ea r en o w m i n i n ga b o v e 一6 2 0 m ．A st h e r e a r en o tm u c hl e f ta b o v et h i sl e v e l ，t h et u n n e l sa r es t r e t c h i n ga sd e e pa s 一8 5 0 m ．T h e c o n s t r u c t i o n so ft u n n e l si nt h i sl e v e la r ea l r e a d yi np r o g r e s sa n d6t u n n e l sw h i c ha r e b e t w e e n 一6 2 0 mt o 一8 5 0 mh a v es e e nn om a j o rd e f o r m a t i o ny e t ．H o w e v e r ，t h o s e t u n n e l sw i l lw i t h s t a n di m m e d i a t ed e f o r m a t i o no n c et h e ya r es u b j e c t e dt ot h e d y n a m i cp r e s s u r eo fm i n es u r f a c e ．A n da l s o ，m i n i n gb e t w e e n7 7 6 mt o 10 0 6 mf r o m g r o u n dl e v e li sw h a ti st y p i c a l l yc a l l e dd e e pm i n i n g ，y e tn od e t a i l e di n f o r m a t i o no n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u n n e ld e f o r m a t i o nc a u s e db ym i n i n go rt h er u l e so fo v e d y i n g s t r a t am i g r a t i o ni sa c q u i r e d ． C o m b i n e dw i mt h ee x a m p l eo ft h eg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n go f8 4 6 3m i n i n g s u r f a c e ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e ru s e st h e o r e t i c a la n a l y s i sF L A C 3 Ds i m u l a t i o na n d f i e l de x a m i n a t i o n si nt h es t u d yo ft h eb e a r i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h em i n i n g s u r f a c e ，t h e r u l e so fo v e r l y i n gs t r a t am i g r a t i o na sw e l la s t h ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r em e c h a n i s m so ft h ed y n a m i cp r e s s u r ef i e l d ．T h er e s u l t sa r e o fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ns t a b i l i z i n gt h ed e e pd y n a m i cp r e s s u r ef i e l do fY a n gd o n g C o a lM i n ea n dp r o v i d eY a n gd o n gC o a lM i n ew i t he l e m e n t a r ys t a t i s t i c sa n d p r e c i o u se x p e r i e n c e si nf u r t h e rr e s e a r c ho ft h eg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gi nm i n i n g w i t h o u tp i l l a r sa n dt h ef e a s i b i l i t yo fb e a n n gp r e s s u r es c h e m e ． K e yW o r d s d y n a m i cp r e s s u r ef i l e d ；f o r eb e a t i n gp r e s s u r e ；r u l e sf o rt u n n e l d e f o r m a t i o n ；A l o n gt h eg o a f ；S u p p o r t i n gc o n t r o l 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯l l 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．3 主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 第2 章采场支承压力分布规律及覆岩运动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 采场支承压力分布模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1 采场初采阶段支承压力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 。1 ．2 采场支承压力结构力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．3 工作面应力场分布规律模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 覆岩运动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 采场关键层及老顶周期性破断规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ，3 ．1 采场关键层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．2 老顶破断距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．3 ．3 覆岩三带分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第3 章动压巷道变形特征及破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 动压巷道围岩受力特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ，1 ．1 区段煤柱巷道布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．2 次生应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．3 巷道围岩结构特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 动压巷道围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 3 沿空留巷上覆岩层破断规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 项板岩层垮落形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ，3 ．2 围岩活动的分期规律及空间特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 沿空留巷围岩应力分布⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．5 覆岩关键块结构力学模型构建及巷旁支护阻力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 9 3 ．5 。1 关键块结构力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，3 9 3 5 ．2 巷旁支护阻力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 第4 章沿空留巷支护设计及数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．1 F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 4 ．2 巷道断面及支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯一⋯⋯⋯．4 7 l 目录 4 ．3 数值模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 数值计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 ．1 巷道开挖数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 ．2 ～次采动至留巷稳定数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．4 ．3 二次采动影响数值预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 第5 章动压区巷道矿压显现规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．1 8 4 6 3 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 5 ．2 现场实测矿压规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．2 ．1 矿压观测主要内容及测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．2 ．2 矿压观测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．3 现场支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．3 ．1 留巷现场实践效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 3 ．2 理论与实测矿压对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．3 支护控制效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ，4 效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 第6 章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．1 研究主要结论内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．2 研究创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 攻读硕士期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 第1 章绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 第1 章绪论 羊东矿是峰峰集团公司的主要生产矿井，地面标高 1 5 6 m ，现阶段正在开 采．6 2 0 水平以上煤层，该水平以上剩余资源有限。矿井已经开始向深部延深， 下一水平在．8 5 0 水平，．8 5 0 部分巷道已经施工，．6 2 0 - 一．8 5 0 水平之间6 条上山 基本到．8 5 0 水平大巷，巷道没有表现出较大变形。一旦上述巷道受到区段工作 面开采动压影响，巷道将面临强烈的变形破坏。另外该区域采场埋深在7 7 6 1 0 0 6 m ，属于典型的深部开采，同时该区域是新开发区域，采动影响引起的巷 道变形机理及规律和采场覆岩运动特征需要深入研究，为后期的开采及动压对 巷道的影响提供理论与实践指导。保证该矿深部开采条件下动压区巷道稳定， 促进安全生产。 动压区巷道受采场采动影响，表现出强烈的变形破坏特征，严重影响煤矿 安全生产。煤矿巷道中，动压巷道的围岩条件、应力状况最为复杂，加之工作 面超前支承压力反复波动变化，造成动压巷道围岩变形严重，有的巷道服务期 间需要多次返修，增加了支护成本。同时动压影响巷道占煤矿巷道8 0 ％左右， 其稳定性控制问题需要开展广泛深入的研究。 对羊东矿动压区巷道变形规律及破坏机理闳题进行科技攻关，提出不同程 度动压影响的巷道补强支护设计方案和动压区沿空留巷巷道支护方案的设计， 为羊东矿提供深部安全开采的技术、理论指导。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．采场覆岩运动规律研究状况 本世纪5 0 年代，苏联人阿威尔辛等认为，在没有岩层破坏的状态中上覆岩 层近乎处于弹性状态。在回采工作的影响下，岩层变形，弹性状态发生破坏， 岩石发生移动，．岩层处于塑性移动过程，介质为塑性介剧2 8 1 。 西德学者克拉茨等，对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。 在对岩体水平移动和变形进一步分析的基础上，克拉茨指出，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，由于采出空 l 河北工程大学硕士学位论文 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。 上世纪7 0 年代以来，我国岩层控制领域取得了很多处于国际领先水平的研 究成果，在采场覆岩运动规律研究方面目前应用最多的两个理论 一是中国工程院院士钱鸣高f 1 2 】教授等人借助大屯孔庄矿开采后岩层内部移 动观测资料，通过力学分析，提出了上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力 学模型。该研究成果对采场给出了具体的上部边界条件，此结构的形态和平衡 条件为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基础。随着研究的深入提出了关 键层理论，该理论实质是进一步研究硬岩层所受的载荷及其变形规律，进而了 解影响工作面和地表沉陷的主要岩层及其变形形态。关键层f l 】研究中的重要组 成部分是两层坚硬岩层破断时的组合关系、采动后岩体内的裂隙分布、离层 区位置及对地表规律的识别。 Ip ．鼍蛳彻z P z耽s p s撇铷嬲Q 。 毒硒≥如{ 如≮欺{ 如 c 图1 - 1 老顶砌体梁力学模型 F i g l 一1M e c h a n i c a lm o d e lm a s o n r y ．r o o f b e a m s 二是中国科学院院士宋振骐f 2 】教授等人在大量现场观测的基础上建立并逐 步完善了以岩层运动为中心，预测预报、控制设计和控制效果判断三位一体的 实用矿压理论体系。该理论认为采场上覆岩层运动对采场矿山压力分布及其 显现有明显影响的岩层范围是有限的。这部分岩层一般由直接项及老顶组成。 直接顶岩层在采空区已冒落，不能始终保持向煤壁前方和采空区研石上传递作 用力的联系。老顶是由明显影响采场压力显现的传递岩梁 板 组成，其上部岩 层对采场矿压显现的影响只有通过老顶的运动才能显现出来【3 0 1 。 2 ．支承压力分布规律研究状况 以上覆岩层运动为中心的矿压理论对采场支承压力分布规律的认识为煤 层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上的垂直 压力称为“支承压力”。在单一自重应力条件下，采场周围岩体上的支承压力来 源于岩层的重量。对于不同开采深度和煤层强度条件，采场支承压力分布可能 有三种情况 1 单～弹性分布其特点是压力高峰在煤壁边缘，随与煤壁距离的增加 第1 章绪论 按负指数规律递减； 2 出现塑性区的分布该分布由塑性区及弹性区两个部分构成。弹性区 压力来源于岩层总体重量，塑性区压力主要由临近采场的岩层运动决定； 3 出现内外应力场的分布这种分布的主要特点是岩梁深入塑性区断裂， 原来完整的应力场以岩梁断裂线为界，明显的分为两部分。一部分是运动着的 岩梁重量所决定的内应力场，另一部分是上覆岩层总体的中力相联系的外应力 场。 采动覆岩中关键层【l 】运动对采场围岩支承压力分布有明显影响。关键层破 断前，支承压力值逐步增大至最大值；关键层破断后，支承压力有明显的降低。 随着采场的推进，支承压力又逐步的回升，但形成的峰值最大值要小于初次破 断前的情形。 综放开采中8 1 ，顶煤和上位岩层是一种介于连续介质和松散介质之间的拟 连续介质。但是松散体只占整体的很小一部分．因此有些学者用连续介质损伤 力学的观点加以研究。马庆云[ 3 1 博士利用位移损伤关系建立了损伤地基梁的模 型，陈忠辉[ 1 0 J 博士则通过建立的损伤力学模型，建立煤壁前方支承压力理论的 分布形态，探讨影响支承压力分布的因素。 影响综放面支承压力分布的主要因素是煤层强度、煤层厚度和顶煤放出率。 随着煤层厚度的增大，支承压力的塑性区宽度增大，但应力集中系数减小。 3 ．采动巷道矿压显现规律研究现状 工作面回采以后，上覆岩层的结构为是半拱式的结构，支承着回采工作面 空间上方悬露岩层的重量，拱角分别位于工作面前方煤体与采空区后方的己冒 落的压实矸石之上，具体支承压力分布见图1 ．2 。根据切向应力的大小，可分为 减压区和增压区；比原岩应力小的压力区是减压区，比原岩应力高的压力区是 增压区。增压区即是通常说的支承压力区，在采空区两侧形成双峰应力分布【1 1 | 。 巷道受到工作面开采的影响，改变巷道围岩的应力分布状态，造成巷道失 稳变形、破坏。陆士良【4 】阐述了采动巷道围岩的变形规律，认为巷道围岩变形 都从表面向深部逐渐降低，围岩内部变形与其周边变形之问具有明显的相关性， 其相关规律首先取决于巷道围岩应力的分布、变化及围岩性质，同时．与巷道 支护阻力，尤其是锚杆与围岩的相互作用，以及岩体的流变性有关。谭云亮、 姜福兴采用E K K O 探地雷达对华丰煤矿部分受采动影响巷道的两帮破坏范围进 行探测研究，并通过多元回归分析给出了两帮破坏范围与采动应力集中系数、 埋深、岩体单向抗压强度及服务时间的关系式。谭云亮，杨慧明1 5 ] 对煤矿上山 受采动影响的研究表明，在老顶来压前夕，上山内顶底板移近速度出现高峰； 老顶来压完成以后，上山内顶底板移近速度迅速下降，巷道围岩变形量还将以 3 河北工程大学硕士学位论文 稳定蠕变形态缓慢增加，大致滞后一个月后基本停止。牛志清f 6 】认为受大采高 动压影响，底板岩体鼓入巷道的机理为挤压流动性底鼓，首先两帮在垂直应力 作用下被破坏，其次在水平应力作用下挤压底板岩体向巷道内流动。 ‘；． 图卜2 工作面前后支承压力分布 F i 9 1 2 A f t e rw o r k i n gi nf r o n ta b u t I I l e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 1 。3 主要研究内容和方法 本论文主要通过采场支承压力分布规律及覆岩运动特征研究、动压区巷道 变形特征及破坏机理分析、巷道稳定性数值模拟研究，针对动压区8 4 6 3 工作面 沿空留巷的压显现规律研究。 1 ．3 ．1 主要研究内容 1 ．采场支承压力分布规律及覆岩运动特征 动压区巷道的稳定主要受到来自采场回采引起的支承压力控制，所以本论 文以采场支承压力及覆岩运动作为起点开展基础理论研究，掌握采场支承压力 及覆岩运动的规律。 2 ．动压区巷道变形特征及破坏机理 通过分析支承压力这个根本力源，分别分析弹性和塑性条件下圆形巷道巷 道变形特征，总结动压区巷道破坏机理，为支护设计方案提供依据。同时针对 8 4 6 3 工作面沿空留巷分析该条件下动压巷道的变形特征及支护状况。 3 ．动压区沿空留巷巷道稳定性数值模拟研究 通过F L A C 3 D 模拟软件分析羊东矿8 4 6 3 工作面沿空留巷稳定性，评价留 巷支护设计方案是否合理。 4 ／∥ 第1 章绪论 4 ．羊东矿8 4 6 3 工作面沿空留巷矿压显现规律研究 本论文在8 4 6 3 工作面工业性试验的基础上，进行现场矿压观测，对矿压观 测数据进行分析，确定羊东矿沿空留巷各阶段矿压显现规律，为该矿以后类似 条件留巷提供经验借鉴。 1 ．3 ．2 研究方法 本论文综合运用理论分析、计算机数值模拟、现场实测等手段，以羊东矿 8 4 6 3 工作面留巷为实例，对羊东矿动压区巷道动态变形规律和加强支护方案确 定进行研究。调研一采场支承压力及覆岩运动分析一动压区巷道变形破坏理论 分析一矿压观测方案设计一现场矿压观测一数据整理、分析一完成论文 5 河北工程大学硕士学位论文 6 第2 章采场支承压力分布规律及覆岩运动特征 第2 章采场支承压力分布规律及覆岩运动特征 采场采动引起应力重新分布及采场上覆岩层的覆岩运动。所以采动是造成 动压区巷道二次变形破坏的根源。 2 ．1 采场支承压力分布模型 2 ．1 ．1采场初采阶段支承压力分布 煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，作用在煤层、岩层和矸石上 的垂直压力称为“支承压力”[ 7 1 。理论研究与现场实践证明，从采场推进开始 至需控岩层 直接项和裂隙带中下位1 ～2 个岩梁 第一次来压结束期间的支承压 力及其显现的变化可以划分为三个阶段 第一阶段从采场推进开始至煤壁支承能力改变之前。在该阶段，随采场 推进，通过处于相对稳定状态的老项岩粱传递至煤层上的压力将逐濒增加。由 于各点的应力还没有达到煤体的破坏极限，因此，包括煤壁在内整个煤层都处 于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高峰在煤壁处的单调下降蓝线，如图2 ．1 a 示。 第二阶段从煤壁支承能力开始改变起，到老顶岩梁端都断裂前为止。进 入此阶段，靠煤壁附近的应力值达到了煤层的强度极限，随着煤体的破坏，其 支承能力开始降低，煤层上支承压力的分布将分成二个区间；在塑性区 煤体己 完全破坏 压力逐渐上升，在弹性区压力则单调下降，弹塑性区的交界处为压力 高峰位置，如图2 一l b 示。 第三阶段从老顶岩梁端部断裂起至岩梁中部触矸止。岩梁端部断裂前夕， 在断裂线附近应力高度集中；岩梁端断裂后，以断裂线为界将支承压力分布明 显地分为如图2 ．1 c 所示的两部分，即在断裂线与煤壁之间由拱内已断裂岩梁自 重所决定的“内应力场”，以及在断裂线外由上覆岩层整体重量所决定的“外应 力场”。 2 ．1 ．2 采场支承压力结构力学模型 我们知道，采动后促使围岩向己采空间运动的力称为矿山压力，其中作用 在工作面四周煤体上的部分为支承压力。上覆岩层的运动是采场支承压力分布 7 河北工程大学硕士学位论文 规律发生变化的根本原因，支承压力分布规律不仅取决于上覆岩层的运动，而 且与煤体的力学特性相关‘”】。通过大量的实验研究所建立的采场支承压力三维 结构力学模型如图2 2 所示。 b C 图2 - 1 支承压力分布 F i 9 2 1B e a r i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 8 第2 章采场支承压力分布规律及覆岩运动特征 图2 2 采场支承压力三维结构力学模型 F i 9 2 2S t o p es u p p o r tp r e s s u r em e c h a n i c a lm o d e lo ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e 由图示可知，采场四周煤体上的支承压力主要来源于采场上方已经发生运 动的岩层。从形状上看，该部分岩体为一上大下小的截头方锥体。在工作面开 始回采初期，该截头方锥体的上下端面是相同的，可以看作是一个长方体，随 着工作面的推进，该截头方锥体的上下端面都在不断扩大。在上端面上表现为 地表移动范围的不断扩大；在下端面表现为支承压力分布范围的逐渐增加。大 量的实验和现场工程实践证明，在工作面从开切眼开始推进到推进距离大约为 工作面长度左右时，该截头方锥体的上下端面相对于中部以采空区边界为断面 的长方体的扩展发展到最大。用数学公式表达为 W h e nc x O L ，S x O ．S m x xa n db x O b x m a x 。 式中，c X 为工作面推进距离，S x 为煤体上支承压力分布范围，S x m a x 为煤 体上支承压力分布范围最大值，b x 为地表移动范围相对于采空区范围的扩展宽 度，b x m a x 为地表移动范围相对于采空区范围的扩展宽度的最大值。图2 ．3 为 采场支承压力结构力学模型的俯视图，图2 - 4 为模型沿推进方向的剖面图，图 2 5 为模型垂直推进方向的剖面图。 9 河北工程大学硕士学位论文 、、 ，7 - ／／，7 ，I／ ，’Ij ＼／ ／／ ，， 己 、、、，／ 。一／一一一二7 一一一． ＼／ 一1 一一 T 一一～T ～I 、＼／／，一’7 V 7 b ， 一 b o b 一- L ／’、、、 ／N、、 ／，7 。 、、。、 、47 一一一一；、一一一一{ 一～一一一i ● ／7＼＼ 、 ＼ 、 刁 ／＼ ＼ ＼ 、 ／7、f 、、 一 C D CCC 图2 3 结构力学模型的俯视图 F i 9 2 - 3T o pv i e wo fs t r u c t u r a lm e c h a n i c sm o d e l u _ - 1 ～卅} TT’十十十 ’ 十4 -十 ● 十 ＼ 』 一一～一⋯⋯⋯⋯ 一一一一一⋯⋯一一一～一～～ l o 孵 耵■≮ ＼ ．∥ Y ＼／ 工 一 一』一_ y ≯扩二、埘- - _ I ～一』耵一打一一～一妒』一 一 j ．7 } 7 尹广i ≮] 1 } 】一1 } 』一l {一一F 1 一、。 1 爪∥。』弋j 气 。i 』。。 厂卜、 r 『Ⅱ丌订硼．jJk 抓8 8 8 8 挎捧8 9 K 捧渗欢炎诗念k．／f h 『『腓吲 “H H H H H H H ’ⅢH H H H H K H H 、 ≤到蔓型 ～一1 一．．L ．一 图2 4 模型沿推进方向的剖面图 F i 9 2 4P r o f i l em o d e la l o n gt h ef o r w a r dd i r e c t i o no ft h ef i g u r e 第2 章采场支承压力分布规律及覆岩运动特征 r 。x t ．1 一一1 1 致一’■。7 { _ 1 F 二二 一二二二 二二二二二二二二二二二 二二二；二了■Ⅲ。 至蔓 妻墨夏瑟≥夏羔夏至至习 L 一一’一。一一～一一一一一⋯一一一一一～一L 一一l 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