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西安科技大学 硕士学位论文 综放面区段煤柱损伤变形规律研究 姓名江万刚 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师邓广哲 20070420 论文题目综放面区段煤柱损伤变形规律研究 专业采矿工程 硕士生江万刚 签名 指导教师邓广哲 签名 摘要 在厚煤层综放开采过程中，区段煤柱尺寸的合理设计、支护时间准确判定，对提高 回采率、降低成本、保障矿井安全生产、延长矿井服务年限都有重大的意义，对放顶煤 开采理论的发展与完善也有很大的促进作用。 本论文通过对下石节煤矿2 1 5 工作面的矿压观测，分析了综放面矿压规律和区段煤 柱的变形破坏规律。运用损伤力学基础理论，采用w 西b l l l l 分布函数来表达综放区段煤 柱中煤体微元的损伤破坏规律；定义了区段煤柱基于w i b l l l l 分布的损伤变量；建立煤 体基于统计损伤的弹性本构关系及演化方程采用主成分分析法分析了影响区段煤柱变 形的影响因素 H 、M 、f ’L 并得出了各因素的权重；运用数值模拟得出了各个影响 因素对损伤变量D 的影响关系，得出了综放面区段煤柱的合理尺寸。 通过流变理论，建立了综放区段煤柱统计损伤的宾汉姆 B i n g , h a m 流变模型。根 据最小势能原理，分析了区段煤柱稳定性的时间相关性。’ 最后，结合下石节煤矿2 1 6 工作面的实际情况，分析、验证了结论的正确性和可靠 性。 关键词综放；区段煤柱；损伤；流变；时间相关性 研究类型应用研究 S u b j e c tS t u d ro nt h eL a wo fD a m a g eD e f o r m a t i o n0 fS e c t i o nC o a l 1 ，e e i a l t y N a m e P i l l a ri nM e c h a n i z e dl o p ．C o a lC a v i n gF a c e M i n i n gE n g i n e e r i n g , l i a n gW a n g a n g I n s t r u c t o r I e n gG u a n g - z l a e A B S T R A C T I nt h ep r o g r e s so fm e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gi nt h i c kc o a ls t a i n , t h es t u d yo ft h e r e a s o n a b l es i z eo f s e c t i o nc o a lp i l l a ra n dt h eb e s ts u p p o r t i n gt i m ea 聆v e r yi m p o r t a n t ．B e c a u s e t h er e c o v e r yr a t ei si n c r e a s e d , t h ep r o d u c t i o nc o s ti sr e d u c e d , t h es e c u r i t yi si n c r e a s e da n dt h e m i l l es e r v i c el i f ei sc r i t i c a l ，a tt h es a m et i m e ，t h ep r o m o t i o no f t h et h e o r yo f t o p - c o a lc a v i n gi s d e v e l o p e da n di m p r o v e d ． I nt h i sp a 噼A c c o r d i n gt ot h em i n i n gf a c e p l C S S U l eo b s e r v a t i o n si n2 1 5 “t o p - c o a lc a v i n g f a c eo f X i a S h i J i em i n e ，t h el a w o f m i ．i n gf a c ep r e s s u r ea n dt h el a wo f d e f o r m a t i o no f s e c t i o n c o a lp i l l a rw e r ea n a l y z e d ．笛t h em e c h a n i c a lb a s eo fd a m a g ed e f o r m a t i o nr e s e a r e l 也A p p l y i n g b a s i cd l l m l a g em e c h a n i c a lt h e o r y , t h ed l t n l a g ev a r i a b l eb a s e do i lW e i b u l ls t a t i s t i c a lm o d e l d i s t r i b u t i o nw I i sd e f i n e d ；t h ee l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i pa n de v o l u t i o ne q u a t i o nw e 化g o t ； t h ef a c t o r s H , M ，￡L e f f e e t i n go nt h ed a m a g ed e f o r m a t i o no fc o a lp i l l a rw a sa n a l y z , 缸w i t h p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dt h ew e i g h to fi n f l u e n c ef a c t o l t - sw a sc o n f i r m e d ；a p p l y i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h ei n f l u e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a c t O l Sa n dd a m a g ev a r i a b l e D w a s g o t ． B a s eo i lv a r i o u sr h e o l o g ym o d e l so fs e a m - r o c km a s s ，b a s e do nt h es t a t i s t i c a ld l l n l a g e c o n s t i t u t i v eB il e ．h a mr h e o l o g ym o d e lw a sf o u n ds u i t a b l ef o rc o a lp i l l a r ．T h e n , a p p l y i n gt h e m i n i m u mp o t e n t i a le l l C i 科p r i n c i p l e ，t h et i m ec t e p e n d e n c eo f c o a lp i l l a rw a f ta ．a l r z e d ． A c c o r d i n g t ot h el o n gt i m eo b s e r v a t i o no fs e c t i o np i l l a ri n2 1 6 血t o p - c o a lc a v i n gf a c eo f X i a s h i J i em i n e ．i ts h o w e dt h a tf r o n tr e s u l ti sr a t i o n a la n dr e l i a b l e ． K e y w o r d s M e c h a n i z e dt o p - c o a lc a v i n gS e c t i o nc o a lp i l l a r D a m a g e R l a e o l o g y T i m ed e p e n d e n c e 妻料技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名f ≥ ；聊1 日期弘习，f 。罗 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名f ，≯否 V删臌郇于也 坤‘年∥月罗日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 论文选题的背景和意义 煤炭是我国的主要能源，对国民经济建设有着重要的战略意义。在2 0 0 3 年能源生 产与消费结构中煤炭占7 4 ．2 ％，在今后很长一段时间里，煤炭仍占很大比重。我国煤炭 资源丰富，不仅储量大，而且赋存条件复杂。其中，厚煤层的储量占总储量的4 5 ％，厚 煤层开采产量占5 0 ％。由于放项煤开采成本低，效益好，目前放顶煤是厚煤层的主要开 采方法，同时随着放顶煤开采理论和技术的不断发展和健全，全国采用放顶煤开采的生 产矿井数量占生产矿井总数的4 0 ．6 ％t ”。目前我国放项煤开采技术已经取得了较好的成 绩，但是关于放顶煤的开采技术研究主要集中在顶煤结构、冒放性控制等方面，而对放 顶煤区段煤柱稳定性的研究还相对较少，使得现有的放顶煤开采矿井，为了保持区段煤 柱的稳定来维护回采巷道的稳定，普遍采用的方法是留设宽大区段煤柱。这种做法是以 牺牲资源为代价，无疑造成极大的资源浪费。据有关部门统计，为了维护巷道而留设的 煤柱造成的资源损失占到总储量损失的4 0 ％左右，尤其是放顶煤开采 如果按照煤层厚 度8 m 计算，工作面宽度均为1 5 0 m ，区段煤柱加宽l m ，全国一年因区段煤柱的增加损 失量就达到6 0 0 M t ，要是加上薄煤层和中厚煤层这个数字将更大 。虽然综合机械化放 顶煤开采技术水平在不断提高，然而采区回采率却只有6 0 ％左右，甚至更低，其最主要 的原因是留设宽大的区段煤柱造成。综上所述，放顶煤区段煤柱合理尺寸和最佳支护时 间的确定等问题是急需解决的。 与普通综采区段煤柱相比，厚煤层放顶煤开采区段煤柱具有以下特点 1 矿山压力大。一次开采的高度较普通综采要大，使得采场上覆岩层的破坏严 重，上覆岩层在一定的区域内产生应力的重新分布，这给维持放顶煤工作面的区段煤柱 的稳定带来了极大的难度。 2 放顶煤工作面区段煤柱的高度大。 3 顶板刚度小。放顶煤工作面大都布置在煤层中，将项煤视为直接顶，所以区 段煤柱的顶板大都为煤体，从刚度上讲，煤体的刚度比岩石的刚度小，与岩石直接顶比， 其矿压规律有很大的差异。 区段煤柱受上工作面回采的影响，在煤柱侧形成侧向支承压力，使应力重新分布， 在煤柱上方形成应力集中现象，使区段煤柱发生变形，随着下一工作面回采巷道的掘进， 由于开挖的二次扰动，使得煤柱的受力更加复杂，煤柱的变形和应力进一步释放，应力 不断向深远处传播，从而使区段煤柱的变形加大，甚至破坏，严重影响回采巷道的正常 使用。回采巷道的严重变形，断面严重收缩，给矿井带来极大的安全隐患。 西安科技大学硕士学位论文 所以，本论文拟通过对综放面区段煤柱变形规律研究，探索综放面区段煤柱的稳定 性问题 一是区段煤柱合理尺寸；二是区段煤柱最佳支护时间 ，尽量减少煤炭资源损 失和降低巷道维护费用，有效的保障矿井的安全生产。故本论文的研究具有重要的实用 价值、显著的经济价值和社会效益，同时对促进放顶煤开采理论、技术体系的发展与完 善有着重要的意义。 1 ．2 国内外研究的现状 1 ．2 ．1 国内外关于回采巷道布置的发展与现状‘ 美国、澳大利亚等世界主要产煤国家，其采煤方法以短壁式开采为主，美国于6 0 年代初亦引进了长壁开采技术，并在W e s t e r n 和I l l i n o i s 煤田进行了多年应用，开采煤层 厚度在1 ．1 ～4 ．O m ，并取得了优于房柱式开采的成绩。与中国的长壁开采布置系统不同 的是，美国、澳大利亚等先进产煤国家在上山和区段平巷布置中均采用无岩巷全煤巷多 巷布置系统，上山系统一般由6 ～8 条煤巷组成，平巷系统一般由3 ～5 条煤巷组成，各 煤巷间留设8 ～l O m 的矩形煤柱。这种布置系统的最大优点是可以不掘或少掘岩巷，并 能充分发挥其煤巷快速掘进和锚杆支护的优势，提高系统的安全可靠性。 我国煤矿巷道布置在7 0 年代以前学习前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤柱护 巷系统，但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难；厚煤层分层开采或近距离 煤层群联合开采时，区段煤柱的留设造成的应力集中不利于下分层或下层煤的开采；厚 煤层分层开采时，区段煤柱的留设易引起煤层自燃发火；煤巷采用炮掘法施工，掘进速 度慢，双巷布置时准备时间较长。因此，自7 0 年代后期，我国开始试验推广跨上山沿空 掘巷 或沿空留巷 技术。目前，在厚及特厚煤层分层开采中仍主要采用这种布置系统， 包括兖州矿区在内的许多采用综采放顶煤开采技术的矿区也主要沿用了这种系统。在7 0 年代N S O 年代全国推广无煤柱护巷技术，并取得相当可观的经济效益【2 】。 1 ．2 ．2 巷道煤柱稳定性研究现状 陆士良等在研究大量受采动影响巷道的矿压显现规律和围岩变形的基础上，提出了 巷道在采动期间的围岩变形量，以及采动稳定期间的围岩变形速度同护巷煤柱宽度之间 的关系，并得出巷道服务期间的围岩变形总量与护巷煤柱宽度之间的关系式[ 3 1 。 徐金海、缪协兴、张晓春利用最小势能原理，在分析了煤柱与顶板的相互关系以及 煤柱受力状况后，建立了考虑顶板刚度及煤柱软化与流变特性的煤柱时间相关稳定性分 析模型，引入煤体的蠕变本构关系，对煤柱的长期变形和稳定性进行了分析，得到了煤 柱保持长期稳定的必要条件以及煤柱保持稳定的最小时间计算公式。煤柱的时间稳定性 与煤体的蠕变延迟时间成正比，在一定条件下，煤体的流变可增长煤柱的长期稳定时间。 2 1 绪论 顶板刚度、煤柱高度与煤柱的稳定时间成反比，而煤柱的横截面积与煤柱的稳定时间成 正比。理论和实践均表明，可通过一定的工程技术手段，改变煤柱及顶板力学性质，使 煤柱能保持长期稳定。理论分析的预测结果与工程现场实测具有较好的一致性，据此可 对短壁开采煤柱留设设计、防止地表二次沉陷进行某种程度上的定性和定量分析【4 1 。 李洪、耿献文、朱学军通过对神火集团葛电矿高地压南3 1 0 2 2 机巷的实测，总结了 采用实测技术确定区段煤柱宽度的方法【5 】。 刘增辉、康天合运用相似模拟理论制作了物理模型，主要对综放煤巷煤柱逐渐缩小 时，巷道围岩破坏特征及顶帮变形量进行了研究，通过相应的比例转换，在实验室内模 拟地层在开挖冒放过程中对巷道的影响，直观的显示出地层的运动变化过程和巷道的围 岩破坏状况州。 柏建彪、侯朝炯、黄汉富等通过数值计算分析，研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄 煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，提出高强度锚杆 支护的窄煤柱是沿空掘巷围岩承载结构中的一个重要组成部分，并针对不同煤层条件确 定了相应的窄煤柱合理宽度，将老顶和老底视为加载系统，分析了回采巷道煤柱和底板 岩层的相互作用及稳定性，并提出了底板岩层产生滑移的条件。认为回采巷道底臌一般 不是底板岩层在垂直应力作用下向巷道内滑移所致，并将研究结果成功地应用于工程实 践[ 7 1 。 陈忠辉、谢和平、赵国旭、马伟民从理论上推导出了三维应力状态下估算煤柱塑性 区宽度的理论公式。从系统论的角度提出改善煤柱稳定性的新思路，即从提高稳定性最 差的煤柱来改善整个煤柱系统的稳定性，并从材料和结构两个方面给出评价煤柱稳定性 的指标。通过正交设计，利用F L A C 软件模拟，给出煤柱稳定性最优的方案嘲。 张耀荣、高慧、高进等根据岩体的极限平衡理论，推导出护巷煤柱保持稳定状态时 的宽度计算公式，由此分析开采深度、采动影响、煤层开采厚度、围岩性质等对护巷煤 柱宽度的影响[ 9 1 。 张玉祥、王玉浚等人运用神经元网络 A N N 研究了煤体一煤体巷道和煤体一煤柱 巷道的U 0 、V o 和u l 与巷道围岩对每类聚类中心的隶属度、支护强度影响系数、断面影响 系数及煤柱宽度的关系，建立了巷道围岩非线性时空演变神经元网络预报模型，并用巷 道围岩移近量实测值对所建立的模型进行了检验，取得了满意的结果。这一模型的建立 为面向巷道围岩控制智能决策支持系统的建立打下了基础【l o , n , 1 2 ] 。 王立朝、马正龙、胡瑞林等将锚杆支护技术和沿空留巷技术相结合，用于保证回采 巷道的稳定。在现场矿压观测的基础上，讨论了支承压力分布规律和窄煤柱护巷机理， 运用极限平衡理论计算出护巷煤柱宽度，同时结合数值分析和现场巷道变形观测结果， 实践证明，只要设计参数合理，施工质量满足要求，沿空窄煤柱锚网带支护技术就可以 保证回采巷道的稳定I l ”。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 ．2 ．3 巷道围岩变形研究现状 杨万斌利用表面收敛以及多点位移计的观测，分析研究了受采动影响的锚杆巷道煤 巷的变形规律[ 1 4 1 。 顾士亮对巷道稳定性的力学效应、采动影响时围岩塑性区以及破碎区宽度及变形与 采动支承压力的关系进行了分析研究，提出了巷道围岩控制的“内、外结构”稳定性原 理【1 5 1 。 杨永杰通过对现场实测数据的分析研究，提出了回采巷道采动影响变形量与护巷煤 柱宽度之间关系的确定方法【1 6 1 。 谭云亮、姜福兴利用E K K O 探地雷达对华丰煤矿部分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、 岩体单向抗压强度以及服务时间的关系式I ”J 。 谢和平采用分形几何的原理对综放开采回采巷道裂隙的分布规律和围岩变形破坏 规律进行了研究以及采用数值模拟 F L A C 进行围岩变形和支护效果分析【阍。 何满潮、刘全林、侯朝炯、郜进海、晏玉书等人在现场的实测基础上，对各类围岩 进行了分类，然后针对具体的围岩变形特征，采用具体的支护对策，对软岩巷道实施耦 合支护设计，在各类围岩硐室的支护方面取得良好的效果0 9 - 2 4 1 。 中国矿业大学的柏建彪在其攻读博士学位期间得到国家自然科学基金委的支持，进 行了沿空掘巷三角块、窄煤柱及锚固体结构稳定等研究，并取得了很大的进展，获得相 当的经济效益。在研究分析综放沿空掘巷上覆岩层结构稳定、窄煤柱稳定、破碎围岩锚 杆支护机理、锚固体及其与外部围岩相互作用的基础上，综合应用理论分析、数值计算、 物理相似材料模拟和现场试验等方法，提出了综放沿空掘巷围岩控制理论和技术，得到 以下主要结论[ 2 5 1 1 建立了综放沿空掘巷围岩结构力学模型 邻近工作面回采后，工作面端头的基本顶破断，形成三角块结构，即岩体A 、弧形 三角块B 、块体C 相互挤压形成的结构，如图1 ．1 所示。 通过理论计算，研究分析三角块结构的稳定性，提出滑落稳定性系数K l 和旋转下 沉稳定性系数K 2 ，用K 1 、K 2 定量描述三角块结构的稳定性，K I I ．0 或K l o 表明三角 块结构不会发生滑落失稳；K 2 、 ／ ／ ／一 潦，／，，／／，／， ／，二歹一 幺 ／ 『，⋯㈣* c 圭 压 l ／L 悉猃黎／／／／／／／／／／ ／幸■性匠土 支熏 压力 变形量 l 断囊■ ／ 寸 ‘巡氅～ 蝌夕／／／，7 厂∥／／∥ ／ ，一一 一 ／ ／- - ● ／ ／ ／ d 煤柱留巷 图2 ．9 支承压力分布以及显现规律 在老顶断裂前的相对稳定状态，顶板载荷传递是连续的，压力分布呈非弹性弹性 分布或弹性分布；当老顶从周边断裂后其载荷传递是非连续的，以断裂线为界形成内外 两个应力区。内应力区的压力随老顶运动和煤体进一步破坏而下降，并随老顶