孤岛工作面覆岩运动破坏规律研究.pdf

山东科技大学 硕士学位论文 孤岛工作面覆岩运动破坏规律研究 姓名张恒 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师吴士良 20040601 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 论文围绕孤岛工作面开采前后，覆岩断裂破坏特征及孤岛煤体支承压力分布规律等 问题开展研究工作。根据组合梁理论确定了岩层载荷及岩层发生断裂破坏的条件，由此 得到了采场充分采动临界开采范围的定义和计算公式，并得出了充分采动和非充分采动 条件下，覆岩断裂破坏最大高度和两种的破坏区域形态，分别为“凹”形和“凸”形。 讨论了两侧采动范围不同时，孤岛覆岩断裂破坏特征 1 覆岩破坏区域连成一个整体 2 覆岩断裂破坏最大高度与两侧采空范围相关，两侧大于临界采空范围时，孤岛覆岩 断裂破坏最大高度不会增大；只有- - N 大于临界范围，该侧覆岩断裂破坏最大高度不会 增大，而小于临界开采尺寸侧覆岩破坏高度增加；两侧都小于临界采空范围，孤岛覆岩 断裂破坏最大高度与整体采空范围有关，该值大于临界范围，覆岩断裂破坏最大高度和 破坏区域形态与充分采动相似，该值小于临界采空范围，覆岩断裂破坏高度和破坏区域 形态与非充分采动相似。 根据覆岩断裂和传递力的特征，研究得到孤岛煤体支承压力与两侧采空尺寸有关， 两侧采空尺寸向临界开采范围增大过程中，支承压力平均集中系数逐渐增大；两侧大于 I I 备 Y F 采尺寸后，平均支承压力集中系数保持不变，并给出了计算公式。根据煤体支承 ／玉, 3 J 分布特征得到最小孤岛煤体可开采尺寸与两侧采空范围相关的结论，并给出了计算 公式。结合兖矿集团济宁二号煤矿2 3r 0 3 孤岛工作面实际条件进行的数值模拟和现场实 测研究，较好地验证了上述研究结论。 关键词孤岛开采覆岩破坏临界尺寸 支承压力 坐查型垫查兰堡主堂垡堡苎 一一堑要 A b s t r a c t T h et h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e ro fo v e r b u r d e n ，t h el a wo fd i s t r i b u t i o no fa b u t m e n t p r e s s u r e ，e t e ，b e f o r ei s o l a t e di s l a n df a c em i n e d a n da f t e r ．A c c o r d i n gt ot h ec o m p o u n db e a m t h e o r yc o n f l m at h el o a do nt h er o c ks t r a t u m ，a n a l y z et h ec o n d i t i o nd e s t r o y e dt h a tt h er o c k s t r a t u mb r e a k s ．A n dm a k eo u tt h ec r i t i c a la r e ao fs u p e r c r i t i c a l m i n i n ga n dg e t t h e c o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i o nf o r m u l a ．A n du n d e rt h e s u p e r c r i t i c a l o r n o n - s u p e r c r i t i c a l m i n i n g ，g a i nt w od i f f e r e n tk i n d so f t h el a r g e s tf r a c t u r eh e i g h to fo v e r b u r d e na n df r a c t u r e r e g i o ns h a p e ．U n d e rt h ed i f f e r e n tm i n i n ga r e ao fb o t hs i d e s ，t a l ka b o u tt h ec h a r a c t e ro f o v e r b u r d e nf r a c t u r eo fi s o l a t e di s l a n df a c e ， 1 t h eo v e r b u r d e nf r a c t u r er e g i o nl i n k saw h o l e ， 2 t h el a r g e s tf r a c t u r eh e i g h tr e l a t e dt ot h eg o ba r e ao fb o t hs i d e s ，w h e nt h eb o t hs i d e sa r e l a r g e rt h a nt h ec r i t i c a la r e a ，t h eo v e r b u r d e nf r a c t u r eh e i g h to f t h ei s o l a t e di s l a n df a c ed o e sn o t i n c r e a s e ，w h e no n l yo n eg o ba r e ao ft h eb o t hi sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a la r e a ，t h eo v e r b u r d e n f r a c t u r eh e i g h to fi s o l a t e di s l a n df a c em i n e dd o e sn o ti n c r e a s et o o ．b u tl c a dt oi n c r e a s ei nt h e o t h e ra n dw h e nt h eg o ba r e a so fb o t hs i d e si ss m a l l e rt h a nt h ec r i t i c a la r e a ，t h eo v e r b u r d e n f r a c t u r eh e i g h to fi s o l a t e di s l a n df a c em i n e dw i l li n c r e a s ea n di ti sr e l a t et ot h ew h o l e g o ba r e a ， i ft h ew h o l eg o ba r e ai sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a la r e a ，t h el a r g e s to v e r b u r d e nf r a c t u r eh e i g h ta n d t h ef r a c t u r er e g i o ns h a p ei ss i m i l a rt ot h a to ft h es u p e r c r i t i c a lm i n i n g ，i ft h ew h o l e g o ba r e ai s s m a l l e rt h a nt h ec r i t i c a l ，t h ef r a c t u r er e g i o ns h a p ei ss i m i l a rt ot h a to ft h en o n s u p e r c r i t i c a l m i n i n g ． A c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro ff r a c t u r ea n dd e l i v e r p o w e r , s t u d yr e l a t i o n o fa b u t m e n t p r e s s u r eo fi s o l a t e di s l a n df a c ea n d t h eg o ba r e ao f b o t hs i d e s ．A n dr e c e i v et h ec o n c l u s i o nt h a t g o b a r e ao f t h eb o t hs i d e sa n da b u t m e n t p r e s s u r eo f i s o l a t e di s l a n di sr e l a t e ．W h e nt h eg o b a r e a r e a c h i n gt ot h ec r i t i c a la r e a ，t h ec o n c e n t r a t e dc o e f f i c i e n to fa b u t m e n tp r e s s u r ei n c r e a s et o o ，． A n dw h e ni ti sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a la r e a ，t h ec o e f f i c i e n tk e e p si n t a c t ．P r o v i d et h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h e t o e f f i c i e n t ．A c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fa b u t m e n tp r e s s u r e ，r e c e i v et h e c o n c l u s i o nt h a tt h em i n i m u ms i z et oe x t r a c ti Sr e l a t et ot h eg o ba r e ao f 也eb o t hs i d e s ．a n d p r o v i d et h ef o r m u l a ．C o m b i n et h e2 3 0 3i s o l a t e di s l a n df a c eo fJ i n i n gN o ．2c o l l i e r y , a n dc a r r y o ns t u d y i n gb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r o j e c t e x a m p l e ，t h a tp r o v e a b o v em e n t i o n e d c o n c l u s i o n ， K e y w o r d s i s o l a t e di s l a n df a c ee x t r a c t e d o v e r b u r d e nf r a c t u r et h ec r i t i c a la r e a a b u t m e n t p r e s s u r e 声明 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；乒以U 日期力∞年．6 - 中 A F F I R M 慷T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi n S h a n d o n gU n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 枷砖吁 铆乍，盆v 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 2 0 0 3 年，我国煤炭产量约1 5 亿吨，是世界第一产煤大国。在生产过程中，顶板事 故在安全事故中所占的比例很大，每年顶板事故影响的煤炭产量也非常巨大。煤矿的重 大事故如冲击地压、瓦斯及煤层突出、突水等，都与开采有密切的关系。与此同时，由 于对煤层开采后岩层运动规律认识不清，相应的控制方法不当，在工作面顶板管理和巷 道维护方面浪费很多人力和财力。发生冲击地压、瓦斯及煤突出、矿井突水等重大煤矿 事故的各种原因中，最主要和根本的原因是没有掌握覆岩运动规律以及对开采的影响。 覆岩运动规律研究是人们长期以来所关注的问题。地下矿层被开采出来后，采场周 围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重颓分布，经过一定时期，运动达到一个新 的平衡。其间伴随着岩层运动和破坏。国内外学者和工程技术人员进行了很多基于岩层 运动和应力分布的研究和探索，取得了许多的成果。 为避免生产和接续工作面之间的干扰，同时也是出于防治煤层自燃和瓦斯的需要， 采区内工作面之间有时被迫采用跳采接续方式，不可避免地形成至少一个沿工作面走向 方向两侧均为采空区的工作面，或工作面三边、四周均为采空区的工作面，这样的工作 面称为孤岛工作面。孤岛工作面应力集中，围岩破坏加剧．并能产生冲击地压，对工作 面安全开采造成危害。兖州矿业集团济宁二号煤矿2 3 ．0 3 孤岛工作面曾经发生一次轻强 度的冲击地压。虽然没有造成很大的财产损失和人员伤亡，却表明孤岛工作面开采会面 临与非孤岛工作面开采不同的顶板控制难题。 2 0 世纪8 0 年代初期，山东枣庄矿务局柴里煤矿在对顶板来压预测预报的基础上对 3 0 9 孤岛工作面进行了成功的丌采。兖矿集团南屯煤矿于1 9 9 4 年在对有关顶板控制、通 风预测技术全面研究的基础上，对复杂条件下6 3 。1 0 孤岛工作面进行了成功的综放开采， 兴隆庄矿于1 9 8 3 年在5 3 0 2 孤岛工作面采用分层综采技术进行了成功开采，以下是煤矿 现场实测情况。 南屯煤矿综放孤岛工作面开采四面采空，煤层厚度5 ．8 m ，工作面走向长8 0 0 m ， 倾斜长1 2 0 m ，埋深3 8 0 m 左右，工作面矿压显现规律显现情况如表1 ．1 所示。 山东科技大学硕上学位论文 绪论 表1 ．1孤岛综放工作面矿压显现 T a b l e1 ．1S t r a t ab e h a v i o r so f f u l l y - m e c h a n i z e d “i s o l a t e di s l a n d ”s u b l e v e lm i n i n gf a c e 直接老顶老项 支护强度顶板下沉量片帮深度 顶初初跨 周压动载 k P a m m r a m 工作面编号 跨步步距步距系数 平时来压平时来匮平时来压 距 m m m 兴隆庄5 3 0 2 孤 1 1 ．14 51 3 ，2I ．3 34 6 l6 0 51 0 | 83 015 02 8 0 岛面 分层综采 南屯6 3 上1 0 孤 l O3 3 ．27 ．31 ．4 54 7 46 8 31 2 ．54 02 3 16 5 0 岛面 从上表可看出，孤岛综放工作面的动载系数、支护强度、顶板下沉量和片帮深度等 明显偏大。 兴隆庄矿分层综采孤岛工作面开采两侧采空，煤层厚度8 ．7 m ，工作面走向长1 0 0 0 m 左右，倾斜长1 6 5 m ，埋深约4 0 0 m ，开采时间1 9 8 3 年。工作面矿压显现规律情况如表 1 ．2 、表1 ．3 。 表1 ．2 孤岛【作面顺槽成巷期间变形 T a b l e1 ．2D e f o r m a t i o n d u r i n gc a v i n gg a t eo f “i s o l a t e di s l a n d ”f a c e 变形稳定距离顶底板移近速度 m m ／d 顶底板移近鼙 m m 顺槽名称 H 1 最大平均 平均 5 3 0 2 ．1 孤岛下顺槽1 2 092 ．47 5 表1 ．3 孤岛面开采期间两顺槽超前支承压力 T a b l e1 ．3A d v a n c e da b u t m e n t p r e s s u r eo f g a t ed u i n gm i n i n g “i s o l a t e di s l a n d ”f a c e 总移近量 顶底扳移近速度 m m ／d 超前影响影响明显 顺槽名称 m m 平均 最火 范同 m 区 m 5 3 0 2 ．1 孤岛下顺槽3 5 】1 647 08 05 0 5 3 0 2 ．I 孤岛上顺槽3 2 21 7 ．06 16 0 3 0 从以上的表中，可以看出孤岛工作面顺槽成巷菇J I B J 变形两顺槽超前支承压力、巷道 顶底板移近速度、顶底板移近量、顶底板移近速度、超前影响范围和影响明显区都显著 偏大。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 目前，我们所掌握的覆岩运动和破坏理论是在一般采场条件下得到的，对孤岛工作 面上覆岩层运动破坏及其应力分布规律主要立足于现场实测研究，缺乏系统的理论研究。 两侧工作面开采后，孤岛工作面开采时覆岩断裂破坏高度加大，孤岛工作面开采是否导 致两侧采空范围上覆岩层断裂破坏范围增加，是否导致孤岛工作面覆岩层断裂破坏范围 与两侧采空范围覆岩断裂破坏范围连成一个整体，如图1 ．1 所示。断裂破坏范围增大是 否对孤岛工作面生产造成灾难性的危害，比如覆岩断裂破坏岩层达到含水层，造成工作 面涌水对设备和人员造成损坏和伤害；孤岛工作面煤体支承压力方面，两侧采空范围是 否与孤岛工作面煤体支承压力有关，煤体支承压力增大是否影响到工作面顺槽稳定性和 工作面支架的稳定和，引起灾难性冲击地压，对工作面人员和设备造成伤亡和损坏再 者孤岛工作面最小可开采尺寸与两侧采空范圈大小是否存在某种关系，对一个孤岛工作 面来说，工作面尺寸有多大时，可以安全开采或不能开采。孤岛工作面开采之前必须对 这些问题有一个正确的认识。因此，正确分析孤岛工作面上覆岩层运动和破坏特征、支 承压力分布规律及其对开采的影响，并采取有效的手段控制工作面顶板和巷道是确保孤 岛工作面安全丌采的关键问题。对孤岛工作面覆岩运动和破坏规律的研究，也是对采场 上覆岩层运动和破坏规律的研究补充和发展。 图1 ．1 孤岛开采覆岩互动预计 F i g1 ．1F o r c e c a s t i n go v e r b u r d e n tf a i l u r ea R e r “i s o l a l e di s l a n d ’’f a c em i n e d 山东科技大学硕} 学位论文 绪论 1 ．2国内外研究现状 覆岩运动和破坏是在采矿活动的影响下，采场上覆岩层下沉、离层、断裂和垮落的 活动现象。开采后覆岩运动和破坏研究是一个传统课题，研究这一课题主要目的是为了 减轻覆岩运动对采场和地面的破坏和影响。经过长期研究和探索，在覆岩运动和破坏方 面取得了大量研究成果。 1 ．2 ．1 国外研究现状 两个世纪以前，已经有人对覆岩运动理论进行了初步探索。1 8 3 8 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“1 。将顶板岩层分解成二个分力，顶板的运动只在法线力P 。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9 0 6 a a 为煤层倾角 。这个理论显然是不成熟的， 但可肯定在研究覆岩运动问题中起过巨大的作用。 哥诺的同时代人斯巴列稍有不同地描述了岩层移动，首次提出了岩层弯曲断裂的概念。 假定移动是由于岩层在危险断面内的断裂引起的，断裂断面内弯矩最大，并认为岩层是 一个两端固定的梁，并给出了岩层断裂 梁 方式⋯。 “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3 0 ～6 0 m m 为丌采厚度 ⋯。 2 0 世纪5 0 年代，苏联c 1 1 阿威尔辛等认为1 ，在没有岩层破坏的状态中上覆 岩层几近于弹性状态。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．介质为塑性介质。 文献比“”对原联帮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同拉伸变形带，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。在中间带的肇硬岩层中发生相互错动达5 0 厘米。 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，从丌始回采 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 坐查型垫查堂塑主堂垡堡兰 堕堡 静力平衡的破坏，覆岩拉伸和压缩区的轮廓时刻在交化，各点的变形也在增大或减小。 文献n 1 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 质中物质的流变过程。 处理岩移计算时，文献‘2 1 采用了积分网格法、将岩体看作弹性介质的方法、将岩体 看作非弹性介质方法、将岩体看作随机介质的方法及将岩体看成由有限单元组成的介质 等方法进行分析计算。 1 。2 。2 国内研究现状 解放以来，我国对煤矿开采岩层和破坏研究进入更高层次和实用阶段研究。山东科 技大学宋振骐院士在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 出了具有代表性的“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。对老顶断裂采用“梁”的分析方法，对断裂后的岩块采用“二块铰结”力学模型 分析。“二块铰结岩块”形成老顶基本结构，分析了该结构的演化对工作面矿压显现的 影响，并提出了“老顶结构”可以预测的思想‘4 ’。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，其中“梁”、“拱梁”、“类拱”三种老顶基本结构形式”1 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。 中国矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出了破裂后老顶的岩层组成“砌体梁”的 力学模型”1 。“砌体梁”理论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。 在坚硬顶板采煤工作面方面，山东科技大学蒋金泉教授引进了岩板理论，拓宽了对 老顶岩层运动形式和规律的认识盯1 。 根据覆岩运动和破坏特征，煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆岩破坏学说，按照 长壁开采后，覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”幅1 ，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性进行了描述。此后， 山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型伸1 ，认为岩层 结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，分析了离层带和松散 5 生查至 垫查兰堡主堂垡望塞 堑堡 冲击层带在岩移计算中的必要性和重要性。 随着对采场上覆岩层运动和破坏的认识进一步深化，中国矿业大学钱鸣高院士提出 岩层关键层理论“们。在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局 部起决定作用的岩层称之为关键层，前者可称为岩层运动的关键层。后者称为亚关键层。 在煤系地层中，由于成岩时间和矿物成分不同使各岩层的力学特性方面存在不同程度的 差别，而其中一些较为坚硬的覆岩层在采场上覆岩体的变形和破坏中起着主导控制作用， 它们以某种力学结构 板或简化为梁等 形式支承上部岩体的压力，而它们破断后形成 的结构形式 如砌体梁 又直接影响着采场矿压显现和岩层移动。 山东科技大学吴士良副教授在研究了开采过程中对采场有明显影响的大范围覆岩破 坏结构的运动演化规律，提出采场覆岩破坏“四带”的划分，即整体下沉带、离层带、 裂隙贯穿带、垮落带川’。并且认为覆岩破坏体的构形可称之为“偏置的不规则梯形”。 随采场推进，前方煤体上支承压力分布峰值位于煤壁较近的位置，向远处呈下降分布趋 势，剧烈影响范围较大，总体影响范围较远；超前支承压力分布变化随覆岩破坏的演化 而呈明显的规律性变化。 在研究方法和技术手段方面，覆岩运动和破坏的研究单元是层状岩体，对层状岩体 介质属性的认识一直贯穿于整于研究历史中，并且导致了不同研究方法的应用“2 川3 川4 川“ 。 弹塑性介质及弹塑性理论的应用连续介质力学研究岩层的方法。近年来，断裂 力学和损伤力学的发展，是对经典连续介质力学的一个重要贡献。通过损伤力学研究岩 石与岩体的本构方程，并进行应力应变分析。 不连续岩体力学及其离散单元法的应用。不连续岩体在工程中的计算多表现为用离 散单元法解算具体问题，东北大学王泳嘉教授首先进行了许多解算工作，以后很多单位 及科研人员采用此方法进行了岩层移动破坏过程研究，离散单元最大特点是可以模拟岩 体从开裂宜至塌落的全过程。 在孤岛覆岩运动规律研究方面，许多现场工程技术人员经过实测研究得出一些重要 的研究结论。孤岛工作面巷道发生的冲击地压的概率大，孤岛工作面内形成一定范围的 应力叠加区，孤岛工作面沿煤层的走向和倾向，距采空区一定范围内，为高应力区，且 有两个应力叠加6 1 。孤岛放顶煤工作匝煤壁前方顶煤主要运动形态表现为整体弯曲下 沉变形，项煤位移主要是顶煤向采空区方向弯曲偏转的结果，这部分煤弯曲变形较大， 由于横向约束力比较大，走向变形仍然表现为整体弯曲变形，煤体内的弯曲裂隙多呈闭 合状态⋯1 。控顶区后，顶煤进一步发生弯曲下沉变形，由于靠采空区侧存在自由面， 6 些查型垫查堂堡主堂垒望壅 堕丝 因而，顶煤在弯曲下沉变形过程中形成一些张开裂隙们。直接顶沿工作面走向方向是 分层分段垮落的，初次垮落步距不等钔。孤岛工作面的矿压显现比一般工作面矿压显 现强烈，孤岛工作面本身应力集中，同时由于开采产生动压，因此煤层及顶板在滑动体 系的基础上重新运动，使原有的破裂面及断层落差增大，使覆岩结构发生改变在滑动 过程中煤层发生塑性流动，与上下煤层糅合穿插在一起，进而对煤层顶板产生进一步的 破坏‘2 ∞。 从上面的文献可以看出，以往的覆岩运动和破坏规律的研究，主要集中在一般采场， 没有对孤岛工作面这一特殊采场覆岩运动破坏和支承压力分布等进行系统研究，对孤岛 工作面研究主要集中现场实测方面。 1 ．3 论文研究内容和目标 论文主要研究内容如下 1 覆岩运动破坏特征； 2 工作面煤体支承压力； 3 孤岛工作面最小可开采宽度。 采取的技术路线孤岛工作面内一定范围的煤体受到集中支承压力作用，煤体处于 高应力状态。如果工作面煤体全部处于支承压力集中高应力区域，则工作面推进过程中， 易发生冲击地压，对煤矿安全生产造成严重影响。 孤岛工作面两侧甚至多侧采空，其上覆岩层已经发生多次运动和破坏改变了孤岛工 作面覆岩存在的状态。 首先分析两侧工作面开采后覆岩断裂破坏。根据覆岩破坏前所处的状态．把覆岩岩 层简化为两端固定梁模型，采用材料力学相关知识，对整个覆岩层组分成若干共同运动 岩层组 组合梁 ，并且对梁进行力学分析，根据梁的受力条件下变形来判断覆岩层是 否发生断裂破坏对孤岛工作面上覆岩层，不同部位的覆岩层建立相应的力学模型，运 用相关理论和知识来研究覆岩层是否发生断裂破坏和破坏区域形态。对孤岛工作面煤体 支承压力，由于两侧工作面开采后，覆岩形成断裂破坏一定范围坏区域，对孤岛工作面 保持完好结构的上覆岩层简化成板，通过分析板所承担的岩层载荷部分传递到孤岛工作 面煤体上以及板，所控制范围来，计算孤岛工作面煤体支承压力。在上述基础上，运用 岩体塑性区内极限平衡理论等来研究孤岛工作面最小可开采尺寸问题。结合兖州矿业集 山东科技大学硕1 学位论文绪论 团济宁二号煤矿2 3t 0 3 孤岛工作面实际情况，进行数值模拟和现场实测研究，并且与理 论研究结果对比。 1 ．4 课题创新点 课题主要创新点如下 1 两侧采空范围变化时，研究了孤岛工作面覆岩断裂破坏高度和破坏区域形态， 给出了覆岩断裂破坏高度计算公式； 2 两侧采空范围不同时，研究了孤岛工作面煤体平均支承压力，给出了煤体平均 支承压力计算公式 3 探讨了孤岛工作面最小可开采尺寸与两侧采空范围定量关系，确定了计算最小 可开采尺寸理论公式。 山东科技大学硕士学位论文 孤岛工作面上覆岩层运动和破坏以及支承压力 2 孤岛工作面上覆岩层运动和破坏以及支承压力 2 ．1覆岩断裂破坏分析 文献‘2 1 1 指出孤岛工作面煤体支承压力比正常工作面大，并且在孤岛工作面两侧 一定范围内的煤体上形成应力集中。文献“”指出孤岛工作面的来压步距比一般正常工 作面小。这说明孤岛工作面形成过程中，上覆岩层受到两侧工作面开采影响。矿山压力 显现是覆岩运动的直接反应，根据孤岛工作面开采与正常工作面开采的矿山压力显现对 比，可以推知两种回采工作面上覆岩层运动和破坏存在差异。两侧工作面开采时，上覆 岩层已经发生断裂破坏，如图2 ．1 所示，可以看出孤岛工作面上覆岩层结构发生了改变， 断裂破坏以上的岩层，保持了完整的结构，并承担自身以及上部岩层重力．并且有着良 好的传递力条件，对该岩层可以简化成板或梁模型。孤岛工作面支承压力来源于孤岛工 作面正上方覆岩以及两侧板或梁所控制的覆岩范围重力，这便是孤岛工作面支承压力较 正常工作面大的直接原因。鉴于此，在开采孤岛工作面时，必然导致其上覆岩层运动和 破坏不同。为了弄清孤岛工作面覆岩运动和破坏，首先分析两侧工作面开采后，覆岩运 动和破坏情况。根据文献⋯研究，工作面上覆岩层第一层两端断裂前悬跨度为厶，其上 一岩层的实际跨度‘ O ．8 L 。，依此类推。文献⋯1 研究表明覆岩断裂破坏高度随着工 作面开采范围增加而增大，但工作面开采范围达到或者超过临界尺寸时，覆岩断裂破坏 高度保持基本稳定。说明工作面采空范围大小，对上覆岩层运动和断裂破坏有着明显影 响。本章主要研究两侧采空范围变化时，孤岛工作面煤体平均支承压力、工作面最小可 开采尺寸和工作面开采后覆岩断裂破坏最大高度和破坏区域形态。 一i _ i ．一．．一一一‘⋯一．一■_ ～～～一．一 _ 1 1 ．■■曩o j ．一～～一，一一。’_ 一i ’”■． 一_ _ ■■- ．一。T T i i r ⋯一 ’一号蠢～。～～二。二0 一’。。。一。一～～一1 尊一～h ～～i ～j 一。 ．_ ⋯⋯一一，r 一／- 一，．≯～_ ‘。■| ～1 ‘一～。～ ～⋯⋯_ ⋯一～ 三墨i 三盘案t 誓‘≥；_ 。一耋耋篓塞至≯妻爱一j i 誊i 一．一一≥五主要舅 采空区 孤岛工作面采空厦 图2 ，1 两侧工作面开采后覆岩状态 F i g 2 ．1O v e r b u r d e n ts t a t eo f d o u b l es i d e s ’f a c e sm i n e d 9 山东科技大学硕．1 学位论文 孤岛工作面上覆岩层运动和破土；| ； 以及支承压力 2 ．1 ．1 两侧工作面开采时覆岩断裂特征 工作面煤层开采出来后，其上覆岩层发生冒落、断裂、离层以及下沉。工作面上覆 岩层中，可能存在多个覆岩层组，组内各岩层发生同步运动，组间发生分开运动。下面 分析覆岩层运动情况。把工作面上覆岩层简化成两端固定梁模型。设上覆岩层共／ ／层， 从下至上分别为1 、2 、3 ⋯一肝。 ‘ 由材料力学可知两端固定岩梁弯沉时，最大曲率和挠度分别为 ‰∞ 嘉‰∞ 面y j Z 矛‘4 旺- ， 式中 一第i 岩层容重 L 第i 岩层跨度 E 第i 岩层弹性模量； m ．第i 岩层厚度。 如果相邻两个岩梁的曲率和挠度有如下关系 卢m 。 i ≥P ～ i 一1 或国。n a ； f ≥∞m f 一1 2 ．2 则表明岩层发生同步运动，如图2 ．2 所示； 岛。。 f ≤尸。。 i - 1 或e a 。。 f ≤∞⋯ f 一1 2 ．3 则表明岩层发生分开运动，如图2 ．3 所示。 Wmax i - 1 ≤Wmax i 一1 丁丁T 一■r 。i T 一卜一一⋯州 ～～‘。L L 1 I 一一L i 一‘一。一i _ ．， ，j 上L _ L 二上L L 上一L 二二二二二， 二I 瓢二二二二二二二二二二二二 二j ] l ，二一●二二二【一二 图2 ．2 岩层同步运动 F i g 2 ．2R o c ks t r a t u ms y n c h r o n o u sm o v e m e n t 生查型苎查兰堕主兰垡丝苎 墨璺三堡亘圭要堂星垩垫塑熊堑型墨兰 堡塑 Wmax i Wmax i 】 I j j 互卫皿[ 匝ⅡⅡⅢⅡ丑皿 ～～一～一一 一～一≥．L 一一 二二】_ I I L 二_ 二二 图2 ．3 岩层分开运动 F i g 2 ．3R o c ks t r a t u mn o n - s y c h r o n o u sm o v e m e n t 根据公式 2 ．2 和 2 ．3 分别判断覆岩层运动情况。通过判断，设开采范围为三情 况下，可分成s 组同步运动，每组内有s ，层岩层，如图2 ．4 所示。 第s 同步 运动组 撼s ．1 同步 运动锶 第s ．k 同步 运动组 图2 ．4 覆岩组分开运动组内岩层同步运动 F i g2 , 4 O v e r b u r d e n t g r o u p sn o n s y e h r o n o u sm o v e m e n t a n dr o c ks t r a t u ms y n c h r o n o u sm o v e m e n ti n g r o u p s 现在分析同步运动岩层受力状态，设第k 1 ≤k ≤S 同步运动岩层组中有乱层岩 层发生同步运动。每层岩层厚度为d h 1 ≤，≤如 。密度为P 。 1 ≤r ≤s 。 。 由于第k 岩层组中有s 。层发生同步运动，考虑到层状岩体中面上的