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太原理工大学 硕士学位论文 大采高工作面初次来压的模拟与研究 姓名袁文峰 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师张召千 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大采高工作面初次来压的模拟与研究 摘 要 国家“十一五”期末要形成 68 个亿吨级和 810 个 5 000 万吨级的大 型煤炭企业，总产量占全国煤炭产量的 50以上。山西煤炭的“兼并重组” 就是为了响应这一目标而产生的。可以说煤炭资源的整合，是发展大型产 煤基地的前提条件和资源保障。当下，得到资源的大型煤炭企业正忙着对 收购、兼并的小矿进行技术改造和扩建。如何能让有限的资本投入产生最 大的经济效益，如何能在短期内将企业的产能提高到一个较高的水平上 山西很多矿区赋存有 3 煤层和 15煤层，如晋城、长治、大同、阳泉、 临汾、运城。这两层煤层平均厚度在 3.0～6.0m，煤层发育整体稳定，顶， 底板条件较好，在这种煤层条件下，一次采全高是首选方法。 随着我国生产力的提高，大型综合机械化设备将逐渐投入到井下。对 于厚度在 4.0m 以上的煤层，一次采全高将是未来的一个发展方向。许多研 究已证明随着工作面的推进，顶板对液压支架将产生很大的压力。尤其在 顶板周期来压和初次来压过程中，工作面的液压支架增阻较大。当支架选 型不合理时，顶板周期来压和初次来压时，将导致支架倒架、支架折损、 工作面冒顶，严重的时候将导致工作面切顶，产生飓风，引发矿压灾害。 本文针对长治王庄煤业大采高工作面顶板岩层，进行了现场取芯和实 验室力学测试，分析了煤层及顶板的岩体结构和力学特性；应用 FLCA-3D 模拟软件，采用静态的加载的模拟思路，模拟了大采高工作面初次来压期 间的动态模型。得出了大采高工作面初次来压期间工作面的垂直应力及水 平应力分布规律，为大采高工艺在该区域的可行性提供了一些依据。 关键词一次采全高，周期来压，初次来压，岩体结构，数值模拟，切顶 太原理工大学硕士研究生学位论文 II The simulation and study of the first weightingon the Working face with large mining height ABSTRACT During the National “Eleventh Five-Year“ period , China want to 6 to 8 hundred million ton and 8 to 10 5 000-ton large-scale coal enterprises, production accounting for more than 50. Shanxi coal “mergers and acquisitions“ is in response to this goal generated. It is said that the integration of coal resources is the development of large coal production bases and resources, a prerequisite for protection. The large coal companies are busy on the acquisition, merger of small mines to conduct technological transation and expansion. How to make a limited capital investment to produce the greatest economic benefit How can companies in the short term capacity be raised to a higher level Many mines in Shanxi coal seam have No. 3 and No. 15 coal seam, such as Jincheng, Changzhi, Datong, Yangquan, Linfen and Yuncheng. The average thickness of coal in the 3.0 6.0m, the overall stability of coal development, roof and floor conditions were better, in this coal seam conditions, a full height is the preferred of mining. With our country’s production improving, large mechanized equipments will be gradually integrated into mine. The overall height mining at a time will be a developing trend in the future for the coal seam of more than 4m thick. However, the overall height mining at a time has its restrictions such as, the size of wellhead, roadway cross-section dimensions, geological structural development on the face, the condition of top and bottom roof, and so on. When many factors meet the circumstances, the top roof condition seems more important. The top roof condition directly determines the feasibility of the overall height mining at one time, aso is an important reference indicator for 太原理工大学硕士研究生学位论文 III type selection of hydraulic support. Many studies have demonstrated that with the working face advanced, hydraulic supports will get a lot of pressure from top roof. The increasing resistance of hydraulic supports is greater, especially in the process of periodic roof pressure and first roof pressure. If the unsuitable support type is selected, it will cause the support to fall down or break, and the top roof fall during periodic roof pressure and first roof pressure, even seriously result the roof collapse, or hurricanes, which triggered mine geological disaster. This paper carried on field coring and laboratory mechanics tests in view of the 3 coal bed and top roof in Wang village coal mine, Chang zhi, analyzed rock mass structure and mechanics characteristic of coal bed and roof. Using the high stope roof control theory, through the FLAC3D similar simulation, it studied the high stope roof structural feature in Wang village coal mine, Changzhi, and provided some bases for the feasibility of the large cutting height mining in this region. Key words overall height mining at a time, periodic roof pressure, first roof pressure, rock mass structure, numerical simulation, roof cutting 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 选题背景、目的及意义 国家“十一五”期末要形成 68 个亿吨级和 810 个 5000 万吨级的大型煤炭企业， 产量占全国的 50以上，但实际情况是，2007 年产量 5000 万吨以上的煤炭企业仅有 5 家，产销量过亿吨的大集团也只有神华集团、中国中煤能源集团和同煤集团 3 家，一个 基地生产一亿吨只有神东一家。山西煤炭的“兼并重组”就是为了响应这一目标而产生 的。可以说煤炭资源的整合，是发展大型产煤基地的前提条件和资源保障。然而，当轰 轰烈烈的“山西的资源整合”结束后，当有限的资源从小煤矿主手中转移到大型煤炭企 业后，山西的煤炭发展又何去何从当下，得到资源的大型煤炭企业正忙着对收购、兼 并的小矿进行技术改造和扩建。如何能让有限的资本投入产生最大的经济效益，如何能 在短期内将企业的产能提高到一个较高的水平上，这是我们煤炭企业所迫切关心的问 题。 山西全省内分部着大面积的 3 号煤层， 该煤层平均厚度在 5 米左右， 煤层发育稳定， 顶，底板条件较好，适合搞大采高开采技术。 当今，对于厚煤层开采方法有 3 种分层开采、放顶煤开采及大采高综采。分层开 采是传统的采煤方法，技术成熟，但随着采煤技术的发展，其缺点也越来越突出。近 20 年来，综放开采技术得到了快速发展，取得一系列有价值的科研成果，为我国高产高效 矿井的建设作出了巨大贡献，但不可否认的是，综放开采尚有很多技术难题未得到根本 性解决，如回收率低、煤尘大、采区内煤炭自燃的危险性大等等，因此其适用条件仍需 要进一步深入研究。值得注意的是，我国很多矿区赋存有 6.5m 以下的厚煤层，如晋城、 潞安、大同、阳泉、邢台、徐州、兖州、阜新、铜川以及神府东胜煤田，在这种煤层条 件下采用什么样的采煤方法，一直是人们关注的问题。在大采高技术的优越性尚未被人 们接受前，放顶煤开采无疑是较为合理的采煤方法，而大采高技术的发展，为更合理、 高效地开采这类煤层开辟了新的途径。 近几年大采高技术的成功范例使我们更有理由相 信，大采高开采是我国今后厚煤层开采极为重要的开采方法之一，大采高开采技术的发 展，将为提升我国煤炭企业的整体技术面貌，提高煤炭企业在国际上的竞争力，保障安 全生产，起到重要的作用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.大采高开采可显著提高矿井产能，实现高产高效。 建设高产高效矿井是我国煤炭事业发展的主旋律，是煤矿实现现代化，走可持续发 展的必由之路，是实现煤矿安全生产，提高规模效益的根本保证，而回采工作面的高产 高效是矿井高产高效的核心。近几年的实践表明，大采高工作面的增产潜力大于放顶煤 开采，尤其是采高在 3.5-5.0M 时，大采高开采具有放顶煤开采无法比拟的优越性设备 少、工艺简单、管理方便、系统可靠、劳动环境好，这些因素是实现高产高效的重要保 证。以下以神东公司的发展为例，说明大采高开在的潜在技术优势。 神东基地从 1998 年至 2007 年,原煤产量从 713 万吨递增到 1. 19 亿吨,连续 9 年实 现千万吨增长,创造了产量10年增长17倍的世界煤炭企业发展新纪录。 在已创建的1000 万吨矿井定员不超过 300 人的模式下,工作面的生产效率最高达到 864.83t/工,矿井的 全员效率达 168.42t/工；矿区年生产煤炭 1.19 亿吨,仅有员工 8981 人,全员效率高达 124 吨/工。这一指标是美国平均水平的 3 倍，是国有重点煤矿的 30 倍，但是用人仅为 传统煤矿的 3， 开发建设以来杜绝了 3 人以上的重大安全事故， 近 3 年百万吨死亡率控 制在 0.015 以下,2007 年控制在 0.0084， 是美国平均水平 0.0317 的 1/4注同期全国平 均为 1.485,国有重点煤矿为 0.38。矿井资源回收率平均达到 75以上,最高达 79.1。 表 1 神东煤炭产量年度表 Table 1-1 the annual coal output table Shendong 时间时间 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 产量产量/ 万吨万吨 713 1120 2250 3500 500073848600101001100011900 13700 15000 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2.大采高开采可提高煤炭质量，提高资源回收率及防止煤炭自燃 煤层厚度在 3.5-6.5m 的范围内，综采放顶煤的资源回收率、煤炭质量指标必然低 于大采高综采。众所周知，综采放顶煤回收率与顶煤特征、直接顶及基本顶的岩性厚度 存在复杂的关系，无论采取怎样的措施，总有一部分煤会遗失在采空区，所以提高资源 回收率的办法是尽可能多地放出顶煤，但必然以牺牲煤炭质量为代价，特别是煤层厚度 在 3.5-5.0M 的，回收率与煤炭质量的矛盾很突出。相比而言，大采高综采只要支架选 型合理，防止顶板漏冒，其回收率将远高于放顶煤开采，同时也保证了煤质。 由于大采高设备的采高范围有很大的调整空间， 不会因为煤层的厚度变化导致出现 丢煤现象，可最大限度的减少采空区的丢煤，减低煤炭的自燃发火的风险。 3.大采高开采推进了我国综采现代化进程，提高经济效益 大采高开采一次性开采煤层厚度大、开采强度高，客观上要求大采高综采设备实现 重型化、强力化、自动化、机电一体化。我国初期的大采高工作面只重视了采高的增加， 以及对支架提出的要求， 没有真正深刻认识到大采高工作面可能具有的实现高产高效的 潜力。 采煤工作面的装备水平和生产技术是体现煤炭生产企业整体技术水平高低的关键。 20 世纪 80 年代中期至 90 年代初期， 西方采煤技术发达国家， 在长壁工作面装备和开采 技术方面进行了一系列卓有成效的改革，研发并使用了生产能力大、自动化程度高、性 能可靠、使用寿命长的成套综采和连续采煤设备，使采煤工作面单产和工效成倍提高， 先后建成了一批特大型生产矿井，在世界煤炭开采技术方面处于国际领先地位。 表 1-2 神东千万吨综采工作面设备配套方案 Table1-2 million tons Shendong matching program fully mechanized coal face equipment 设备名称 型号 主要技术参数 采煤机 SL500 生产能力2800-3000t/h，采高2.7-5.4m 牵引速度0-26m/min, 装机总功率1875KW 刮板输送机 3*855KW 输送能力 3500 t/h，溜槽宽 1000mm,链速 1.68m/s,φ48*152 双中 链 转载机 375KW 输送能力 3500 t/h，溜槽宽 1350mm,链速 2.18m/s,φ38*126 双中 链 破碎机 375KW 破碎能力3500 t/h，输出粒度300mm,功率375KW 液压支架 2*4319KN 支护高度2.55-5.5m，支架中心距1.75m,工作阻力8638KN, 带式输送机 3*375KW 输送能力3000t/h，输送长度3000m,带宽 1400mm,带速4m/s 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 表 1-3 千万吨综采工作面主要技术经济指标 Table 1-3 million tons of fully mechanized face major technical and economic indicators 项 目 技术经济指标 项 目 技术经济指标 工作面长度/m 240-300 每刀产量/t 1420 推进长度/m 6000 日循环数/个 22-30 采高/m 4.5-5.3 回采工效/t/工 893 采煤开机班开机率/ 90 日产量/t 31240 工作面月产量/万吨 93.7 工作面年产量/万吨 1000 平均割煤速度/m/min 7.0 搬家倒面影响时间/d 15 2001 年以来 神东现代化矿区建设与生产技术 项目相继获得中国煤炭工业协会特 等奖及国家科技进步一等奖，神东基地的诸多成果已被晋城、兖州、大同、平朔、西山、 宁东、榆神等矿区借鉴应用,全国随后涌现出了数十个千万吨级矿井不含神东本身。 我国在引进、消化、吸收国外先进采煤技术经验的基础上，研发出了大采高支架及 配套综采设备，并成功地实现了高产高效，推动了我国煤机事业的发展。 1.2 影响大采高发展的主要因素 尽管大采高开采在适宜的地质条件下优点是突出的， 但影响大采高实现高产高效的 因素也很多，这些因素不同程度地限制了大采高的发展。据统计，2000 年以前，仅有 8 个大采高综采队生产原煤超过 150 万 T，而放顶煤综采队达到 17 个，采高小于 3.5M 的 综采队也达到了 9 个。大采高工作面的数目也远小于综放开采，采高超过 5.0M 的大采 高工作面累计不超过 5 个，采高达到 6.0M 的大采高工作面目前为零。这些数字与我国 大量赋存 6.5M 以下煤层可供大采高开采的条件是不相适应的。换言之，具体条件下的 个别大采高工作面的成功使用并不能说明一种采煤工艺已经成熟。我国采高 5.0-6.0M 的大采高开采实际上处于起步阶段，而采高 4.0-5.0M 的大采高开采也有很多失败的例 子。大采高在我国成为一种成熟的工艺并大面积推广使用仍有很长的路要走。 本论文主要以三元王庄煤业大采高开采技术为背景，应用“关键层理论”具体的研 究了大采高开采的围岩控制问题以及液压支架选型的问题。通过采用 FLAC3D 软件模拟 了工作面初次来压期间的顶板压力分布情况，以及验证了“关键层”在分析大采高采场 来压规律中的科学性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 1.3 大采高围岩控制事故及特点 大采高实践表明，良好的支架-围岩关系是发挥大采高生产能力的关键，但是，大 采高工作面煤壁及支架加高，同类地质条件下可能出现支架-围岩事故的概率加大，处 理事故的难度也由于支架高度大、设备重而随之加大。概括起来，大采高围岩控制事故 有以下 3 个特点 1.煤壁片帮引发的端面冒顶 显然，采高加大后，煤壁片帮的概率加大，这一点已被生产实践证明，也是大采高 矿压显现的重要特点之一。研究表明，煤壁片帮随采高增大呈非线性增大。首先，煤壁 片帮威胁到安全生产，尤其在采高大于 5.0M，仰斜推进时尤甚；其次，煤壁片帮增大了 端面距，导致顶板漏冒的概率加大。冒顶时岩块落入综采工作面工作空间内会严重影响 生产的正常进行和工人的安全，加剧工作面装备的磨损和老化，使液压支架的受力状态 恶化，甚至会出现严重破坏。支架前探梁直接顶岩体的破坏冒落，不仅会迫使液压支架 的平衡千斤顶被拉坏和顶梁抬头，而且会导致液压支架上部失去约束，加之地质条件的 复杂化可能导致支架出现顶梁台阶甚至大规模的倒架事故。 大采高支架冒顶事故处理既 危险又困难，并消耗大量坑木导致成本增加。 我国许多大采高工作面都曾发生过类似事故， 如义马村矿由于初撑力过低和接顶状 况差导致顶板离层破碎，尤其是在走向 300M 的断层区内冒顶严重，支架顶梁不接顶且 上翘，平衡千斤顶大量折断破坏；西山官地矿 18202 工作面出现严重冒顶和支架倾倒扭 歪现象，支架四连杆中的前连杆销轴弯曲破坏，后连杆刚筋板焊缝开裂；邢台东庞煤矿 2703 工作面也出现严重冒顶，支架平衡千斤顶大量损坏甚至出现倒架事故；2007 年 5 月神东公司补连塔矿某个大采高工作面开采过程中发生大面积冒顶事故和液压支架倒 架事故, 导致工作面停产两个月，间接经济损失近 2 个亿。 2.支架共作阻力不足导致的支架压死及破坏 大柳塔矿 1203 工作面煤层厚度 6M，埋藏深度 50-60M，使用 ZY3500-23/45 型掩护 式液压支架，初撑力 2700KN/架。工作面自开切眼推进 27M 时，初次来压，工作面中部 91M 范围内顶板沿煤壁切落，形成台阶下沉，有 31M 范围台阶下沉量高达 1000MM，来压 猛烈，部分支架被压死，周期来压时工作面显现比较缓和，但有不少支架立柱因动载而 出现胀裂。 3.支架稳定性事故 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 大采高支架结构高度大，自身稳定性差，易发生大采高支架稳定性事故，我国大采 高支架稳定性事故高达 6-10，远比普通综采严重。由于大采高支架的倾倒、歪扭及顶 梁的俯仰，大采高支架之间易出现顶梁台阶、挤压、咬架、较大空隙及支架实际支护力 下降的现象，甚至会引发大规模的倒架事故。出现大采高支架稳定性事故后，调正大采 高支架的工时消耗远较普通支架大，而且可能引发安全事故。 由此可见，大采高采场的围岩控制中，支架自身的稳定性至关重要，同时要有良好 的支架-围岩关系，控制断面漏冒及台阶下沉。要做到这几点，关键是要掌握大采高采 场围岩运动及变形规律。 1.4 大采高围岩控制理论研究现状、不足及本文的研究内容 前苏联曾对大采高的围岩运动规律及控制原理做过初步研究， 全苏矿山测量研究院 在试验室里对开采厚度为 2、4、6 及 8M 煤层进行相似模拟实验，实验及现场的研究结 果表明不论初次来压还是周期来压的步距，不决定于开采煤层的厚度，而决定与岩层 的特性及其结构；随煤层厚度增加，顶板坚硬岩层的支点由煤壁边缘转移到了煤体的深 部；随煤层厚度的增加，由于坚硬岩层断裂而引起的来压强度以及工作面内顶板下沉量 将增大；在没有基本顶周期来压影响时，随着煤层厚度的增加，回采空间的顶板下沉会 由于煤壁边缘部分具有较大变形性而略有增大；通常，随煤厚增加，周期性折断的岩块 很厚，没有明显的离层，且折断是沿朝向煤壁的裂缝发生的，引起了回采空间上覆岩层 急剧下沉，甚至使回采空间冒顶；增加煤层开采厚度，会使岩层垮落高度增加，使垮落 岩层的松散系数增加；随着煤层厚度增加，顶板下沉量增大，与普通采高相比，单位采 高顶板下沉量降低，因此，必须预先规定支架的可缩量；支撑压力范围随开采煤厚增加 而扩大。前苏联的研究结果表明大采高由于工作面很高而产生一系列的问题，增加开 采厚度，会在工作面及采空区导致矿山压力明显强度增加，在顶板岩层的组成和结构相 同的情况下，煤层顶板由“典型的”一类转变为管理上“很难”的一类。上述结论实质 上是一些大采高工作面岩层运动规律，对围岩的控制问题涉及较少。 国内的其他学者，也就大采高的围岩控制提出了一些有益的观点，但大多数是零 散的。 已有的研究成果对于我国发展大采高技术起到了一定的推动作用，初步认识到了 大采高开采区别于普通采高的主要特点，并尝试给出了围岩控制措施，但现有成果不足 以有效指导我国的大采高开采实践。近几年的生产实践表明，现有成果的工作阻力计算 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 值往往偏低，而关于支架架型的选择的观点，也有相互矛盾之处。因此，有必要对大采 高的围岩控制理论作进一步的研究。 大采高工作面初次来压的模拟必须形象具体的描述以下问题 （1） 模拟模型的建立方法，以及模拟过程是否具有科学性。 （2） 开切眼的压力分布规律，以及导致其片帮冒顶的原因。 （3） 大采高工作面初次来压期间支撑压力分布规律，对采场围岩控制的影响。 （4） 不同直接顶岩层结构条件下，支架工作阻力的估计 （5） 采用模拟的方法来具体说明支架围岩的工作机理，为大采高工作面在该区 域是否可行，提出一定的依据。 （6） 提出大采高支架选型的新方法。 1.5 研究方法及技术线路 1.矿山压力观测及相关资料的收集 在即将要布置大采高的附近，调查研究相邻工作面的顶板来压情况以及支护的方 式。收集同一煤层其它工作面的地质资料。 2.采用井下钻孔取芯的方法，获取煤层上方 15m 范围内岩层的岩芯，并送往岩石力 学中心分析，做试验，得出煤层上方岩层的力学参数 3. 理论分析 （1）以“关键层”理论为指导，结合实测及实验结果，建立大采高采场的整体力 学模型，初步估算所需液压支架的工作面阻力。 （2）以实测资料为基础，依据采场力学模型从理论上分析支架围岩关系。 （3）初步选择液压支架的形式 4.数值模拟 （1）以采场力学模型为基础，通过数值模拟研究采场的应力分布规律，以及检验 液压支架的工作阻力是否满足要求，为大采高采煤工艺在该区域是否具有可行性，提出 科学的评价 （2）揭示大采高工作面初次来压的矿压显现规律。 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 第二章 煤岩力学实验及稳定性评价 2.1 井下取芯位置及巷道断面特征 针对王庄煤业计划布置大采高综采工作面的位置地点， 为充分掌握该区域煤层顶板 力学特性，为正确评估大采高综采工作面的可行性提供理论支持，保证评估结论的代表 性和科学性，根据王庄煤业矿井采掘工程平面图 ，将取芯位置布置在开拓回风巷掘 进头、304 采区进风巷、3043 回风顺槽掘进头。 304 采区位于王庄煤业井田南部，运输大巷的东侧，3 煤层内。采区内由西向东布 置有两条采区巷道304 采区回风巷，304 采区进风巷。在采区巷道南面分布有开拓 回风巷，3042 回风顺槽，3043 回风顺槽，3041 综放工作面。采区巷道断面特征见表 2-1 所示，取芯位置如图 2-1。 表 2-1 巷道断面特征 Table 2-1 Roadway characteristics 回 风 顺 槽 3043 回 风 顺 槽 3042 开 拓 回 风 巷 304采区回风巷 304采区进风巷 304采区变电所1 304采区变电所2 运 输 大 巷 回 风 大 巷 取芯位置 1 取芯位置 3 取芯位置 2 工 作 面 3041 图 2-1 取芯位置示意图 Figure 2-1 Schematic diagram of core position 名 称 形 状 上宽（m） 下宽（m） 高（m） 断面㎡ 3043 回风巷 梯形 3.2 3.8 2.8 9.8 304 采区进风巷 梯形 3.2 3.8 2.8 9.8 开拓回风巷 矩形 4.0 4.0 3.0 12.0 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 2.2 煤岩力学实验 煤岩力学特性是采场和巷道矿压控制的重要参数， 是进行综采工作面支架选型不可 缺少的基本指标。为研究王庄煤业 304 采区顶板的稳定性，科学的评价大采高支架的可 行性，必须提供可靠的煤、岩层的物理力学参数。因此，进行了现场采样和煤岩体物理 力学参数的测定工作。 根据王庄煤业的实际条件，我们在 304 采区采集了煤岩试样，在太原理工大学岩石 力学实验室测试中心对煤和巷道顶板岩石进行了基本力学特性的测定。 2.2.1 实验内容 岩石力学基本实验是确定岩石基本物理特性和力学特性的唯一手段， 为了确定围岩 的基本性质，进行了下列试验 （1）煤岩容重试验； （2）煤岩单轴抗压强度试验； （3）煤岩角模压剪试验； （4）煤岩间接拉伸试验； （5）煤岩弹性模量及泊松比试验。 2.2.2 实验方法 本次试验标准采用原煤炭部 1997 年制定的颁布标准煤和岩石物理力学特性测定 方法 。实验方法包括 MT-38-87 煤和岩石物理力学性质测定的采样一般规定； MT-44-87 煤和岩石单向抗压强度测定方法； MT-45-87 煤和岩石变形参数测定方法； MT-46-87 煤和岩石抗拉强度测定方法； MT-47-87 煤和岩石抗剪试验方法。 2.2.3 实验步骤 钻孔取芯作为煤岩体的样本采取方法之一，取芯标准如下 （1）煤和岩石采样工作的完善与否，是决定煤和岩石物理力学性质测定结果正确 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 性和可靠性的重要因素。 （2）采样地点应符合研究目的的要求，并应特别注意岩煤样的代表性。在研究 某一局部地点的岩石性质时，应在所研究地点附近，找具有代表性的采样点采样;在研 究较大范围内的岩石性质时，应根据岩性变化情况，分别在几个具有代表性的采样点采 样;当岩层厚岩性变化较大时应分别在上、中、下不同部位采样每组岩煤样应采自岩 性相同的同一层位。 对岩性变化很大的岩层， 禁止将在不同地点和不同部位采取的岩煤 样编为一组。 （3）钻孔采样应尽量垂直层面打钻，偏斜不大于 5。有特殊困难如倾角大的岩 层在地面打钻时不能做到上述要求时，应注明偏斜角度。 尽量不采用爆破方法采样，以防产生大量人为裂隙。如只能用爆破方法采样时，也 应降低炮眼的装药量，以减少其影响所采煤块和岩石块的规格大体为长宽高20cm 20cml5cm 的六面体。 （4）采样时应由专人做好岩煤样描述记录和编号工作。钻孔采祥时应附柱状图， 岩芯岩煤样编号可采用柱状图上的岩层层序号。编号用颜色漆写在岩煤样上，同时 在岩煤样上用符号“↑”标明其层理方向。 （5）每组煤样或岩样的数量，应满足试样制备的需要，按所需要测定的项目来确 定其数量。考虑到加工中的损耗以及偏离度大于 20时，试样数量要适当增加。对于软 岩，采样的数量还应更大一些。 （6）煤样或岩样采好后，迅速用纸包好，写上编号，运到井上（如条件具备，采 用浸蜡整体封固） 。对松软易吸水风化的煤和岩石最好能在井下立即包装封固。 （7）试样封固后装入上、下及四周均填塞木屑的木箱内，木箱用铅丝扎紧，并编 上号码，发运到试验单位。 2.2.4 力学参数确定 力学参数确定主要包括 RQD 指标、容重、抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、 弹性模量、泊松比等物理力学指标。 （1）RQD 指标 以在取芯过程中岩芯的采取长度超过 10cm 的总长度与钻孔长度的比 RQD 作为评价 岩体质量的指标. 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 l RQD L ∑ （2-1） （2）容重 标准试件，采用天平测定重量 g，采用游标卡尺测定试件直径 D 和高度 h. 2 4 1000 g Dh ρ π （2-2） （3）抗压强度 采用材料试验机测定抗压破环载荷 P 10 P R F （2-3） （4）抗拉强度 劈裂法测定，采用材料试验机测定抗拉破环载荷 P。 1 2 10 P R DLπ （2-4） （5）内聚力和内摩擦角 内聚力和内摩擦角的测定由抗剪实验确定，抗剪强度τ的确定 采用材料试验机和变角剪切夹具测定。 cos10 P F σα sin10 P F τα （2-5） （6）绘制岩石强度曲线 将各测定角度下的正应力σ和剪应力τ输入到EXCEL表格中， 采用直线型回归曲线， 可以得到如图 4-1 所示的试件回归曲线，并得到内聚力和内摩擦角计算公式。 图 2-2 岩石抗剪回归曲线 Figure 2-2 Shear regression curve of rock 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 2.3 顶板岩层地质力学评价 （1）3 ＃煤层在该区域抗压强度为 10.3Mpa，属中等强度煤层，煤层整体性好，具有 较高的自稳性。煤层结构简单，煤层底部 1.5m 处有一夹矸层，厚 10mm 左右，夹矸以上 煤层性软，节理较发育，属完整性中等煤层。 （2）从井下开拓回风巷顶板所取岩芯看（如图 2-3） ，该处 3 煤层顶板 10m 内，由 一层厚度 2.2m 的砂质泥岩，一层 4.4m 厚的粉砂岩和一层 3.2m 厚的细砂岩组成；砂质 泥岩抗压强度为 49.8 Mpa，粉砂岩抗压强度为 70.94 Mpa，该区域顶板岩层层状简单， 中间未见软弱泥岩层，岩层完整性好，巷道顶板属中等稳定性Ⅲ类围岩。 （3）从井下 304 采区进风巷顶板所取岩芯看（如图 2-4） ，顶板分布一层 4.5m 厚泥 岩，泥岩与煤层中间夹有一层 0.2m 厚的松软泥岩夹层；泥岩的抗压强度在 42.19 Mpa， 层理发育，含炭质，含植物茎叶化石，岩芯呈片状，无纵向节理，质软松散，风化程度 快；上覆岩层为 5.6m 厚细砂岩，抗压强度为 108.9 Mpa，稳定坚硬且完整性好；该处巷 道顶板属稳定性较差的Ⅳ类围岩。 （4） 从井下 3043 回风巷掘进头顶板所取岩芯看 （如图 2-5） ， 顶板砂岩分为细砂岩、 粉砂岩， 灰黑色～灰白色； 岩层之间夹有 0.2～0.3m 厚的泥岩； 下层粉砂岩含泥质结构， 局部有纵向节理，完整性好，抗压强度为 88.38 Mpa 左右，属支护关键岩层；上层为细 砂岩，完整性好，抗压强度在 133.6 Mpa，抗拉强度在 10.9 Mpa,稳定坚硬且完整性好； 该处巷道顶板属稳定性较好的Ⅱ类围岩。 （5）从井下三个地点的顶板岩芯看，三个钻孔均含有细砂岩，粉砂岩两类岩层， 如果将两层整体定义为砂岩， 那么砂岩岩层在煤层上方分布比较稳定， 厚度变化不大， 属较稳定岩层；而砂岩下方分布的泥岩层，强度和厚度变化较大，应属强度偏底，起 伏变化不定岩层，该层厚度大小在很大程度上影响巷道的稳定性和采煤工作面的支护 方案。从现场岩样分析，结合王庄煤业3 煤层采掘工程平面图判断，泥岩层有可 能出现“北厚南薄”现象。建议生产中定期在巷道顶板上方打钻取芯，准确掌握顶板 泥岩强度和厚度变化情况。 综上所述，从井下三个地点的顶板岩芯分析看，3 ＃煤层顶板无软弱岩层，岩层的 完整性较好，巷道顶板属中等稳定围岩。局部可能出现类似图 2-4 不稳定围岩。 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 109.712.802.68 岩 性 描 述 岩层厚岩石名称 RQD 值 单轴抗压 抗 拉 容 重 3 柱状图 （MPa）（MPa） g/cm m 细砂岩 砂 质 3.2 4.4 灰白色，完整，少量节理发育, 钙质胶结，较坚硬. 79 63 王庄煤业3煤层1号钻孔顶板岩层地质力学特性柱状图 2.2 灰黑色，层理发育,片状,内含 植物茎叶叶化石,质软,破碎. 泥 岩 粉砂岩 白色，完整性好，以石英为主, 坚硬 30 70.942.82 49.822.645.42 11.39 图 2-3 1 号钻孔顶板岩