孤岛工作面覆岩结构破坏与矿压显现规律研究.pdf

博犍墨寤鑫学 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 I I I I I IJ I I I IH I IJ I IJ l IJ l I IJ I I I i l I I I I I I [ [ I I 、r 3 2 2 9 9 4 3 硕士学位论文 题目孤岛] 作而覆岩结构破坏与 矿压显现规律研究 作者姓名 指导教师 学科专业 所在学院 梁小尼 蔡振禹教授 矿业工程 矿业与测绘T 程学院 提交论文日期 年卫月 万方数据 分类号 堕垒三2 U D C ． 工学硕士学位论文 密级公珏 单位代码 Q Q Z 鱼 孤岛工作面覆岩结构破坏 与矿压显现规律研究 梁小龙 蔡振禹 工学硕士 矿业工程 矿业与测绘工程学院 河北工程大学名师别业位位 级 单姓教虚专单臣 者导学科在学 请 予 作指申学所授 万方数据 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 i U 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 t u d y o nt h ef a i l u r eo f o v e r l y i n gs t r a t as t r u c t u r e a n dt h er e g u l a ro fs t r a t ap r e s s u r eb e h a v i o ri n i s o l a t e dw o r k i n gf a c e 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 L i a n g X i a o L o n g C a i Z h e n g Y u M a s t e ro f E n g i n e e r i n g 一一 M i n i n gE n g i n e e r i n g 一 一一 C o l l e g eo fm i n i n ga n dg e o m a t i c s H e b e i U n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g 一 一1一 M a y , 2 0 1 7 万方数据 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 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育 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。 学位论文作者签名 签彳喊叫年∥月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑苎堡王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰竖王猩太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 学位论文作者签名编略 导师签名 签字日期占b 矽 年∥月乒 日 签郑础| - 7 年2 具夕日 万方数据 摘要 摘要 近年来孤岛工作面开采相关问题日益受到学者们的广泛关注，由于煤炭资源 的消耗随着我国经济建设的稳步发展不断增大，但是我国2 0 世纪3 0 年代建成的 煤矿面临着资源枯竭等问题，通过孤岛工作面的回采可以解决资源枯竭的问题， 现场实际开采中孤岛工作面在回采过程中经常会出现一些安全事故，例如，冲击 地压的发生，孤岛工作面覆岩的移动、断裂、跨落等，严重的影响了矿井的安全 生产，降低了矿井的经济效益，因此更加需要我们对孤岛工作面相关问题加深的 研究。 论文以冀中能源峰峰集团薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面为研究的背景，采取理论 与实验相结合的研究方法，通过广泛的查阅了孤岛工作面覆岩的相关文献资料， 了解孤岛工作面岩层的结构特征，并通过实验室相似模拟实验模拟冀中能源峰峰 集团薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面记录孤岛工作面两侧巷道、孤岛工作面的顶板，底 板，老项的应力变化，研究了开采过程中孤岛工作面覆岩裂隙发育规律。通过 F L A C 3 D 数值模拟软件建立数值模拟模型，分析开采过程中孤岛工作面覆岩运动和 应力分布规律，揭示了孤岛工作面开采过程中两侧巷道围岩发生动力灾害的机理， 获得了孤岛工作面采空区尺度对孤岛工作面灾变的控制作用。研究成果可为孤岛 工作面安全开采提供借鉴。 关键词孤岛工作面；覆岩结构；覆岩应力演化；矿压显现 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r s ，i s o l a t e d w o r k i n gf a c em i n i n gr e l a t e dp r o b l e m sh a sa t t r a c t e d e x t e n s i v ea t t e n t i o no fs c h o l a r s ，d u et ot h ec o n s u m p t i o no fc o a lr e s o u r c e si si n c r e a s i n g s t e a d i l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nC h i n a ，b u tC h i n a ’Sc o a lm i n eb u i l ti n 19 3 0 s ，f a c e dw i t ht h ed e p l e t i o no fr e s o u r c e sa n do t h e ri s s u e s ，c a ns o l v et h ep r o b l e mo f r e s o u r c ed e p l e t i o nb yi s l a n dw o r k i n gf a c em i n i n g ，t h ea c t u a le x p l o i t a t i o no ft h ei s l a n d t h ew o r k i n gf a c ei nt h ep r o c e s so fm i n i n go f t e nt h e r ew i l lb es o m ea c c i d e n t s ，f o r e x a m p l e ，t h eo c c u r r e n c eo fr o c k b u r s t ，m o v i n g ，f r a c t u r e ，i s o l a t e dw o r k i n gf a c eo f o v e r l y i n gr o c kc a v i n g ，s e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o n ，r e d u c e st h e e c o n o m i cb e n e f i t so ft h em i n e ，S Ow en e e dt os t u d ym o r ed e e p l yo ni s o l a t e dw o r k i n g f a c er e l a t e dp r o b l e m s ． T h eX u e c u nc o a lm i n eo fF e n g f e n gJ i z h o n ge n e r g yg r o u p1 4 0 9 3i s l a n dw o r k i n g f a c ea st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a d o p t i n gt h er e s e a r c hm e t h o do fc o m b i n a t i o no f t h e o r y a n dp r a c t i c e ，t h r o u g he x t e n s i v er e a d i n go ft h er e l e v a n tl i t e r a t u r eo ni s o l a t e dw o r k i n g f a c eo v e r b u r d e n ，u n d e r s t a n dt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fi s o l a t e dw o r k i n gf a c es t r a t a ．a n d t h r o u g hl a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts i m u l a t i o ni nX u e C u nc o a lm i n eJ iZ h o n g e n e r g yF e n g F e n gG r o u po nb o t hs i d e so ft h e14 0 9 3i s l a n dw o r k i n gf a c er e c o r di s l a n d w o r k i n gf a c er o a d w a y ，t h ei s l a n dw o r k i n gf a c er o o f , f l o o r ，r o o fs t r e s sc h a n g e s ，t h e d e v e l o p m e n tr e g u l a r i t yo fi s o l a t e dw o r k i n gs u r f a c ei nt h ep r o c e s so f m i n i n go v e r b u r d e n r o c kr e s e a r c h ．T h r o u g ht h eF L A C 3 un u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et oe s t a b l i s ht h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，a n a l y s i so fi s l a n dc o a lm i n i n gp r o c e s so fo v e r l y i n gs t r a t a m o v e m e n ta n ds t r e s sd i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mi nt h e p r o c e s so fm i n i n gr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c kd y n a m i cd i s a s t e ro c c u r r e do nb o t hs i d e so ft h ec o n t r o le f f e c tw a s r e v e a l e d ，i s o l a t e dw o r k i n gf a c eg o a fs c a l eo nt h ei s l a n dw o r k i n gf a c eo fd i s a s t e r ．T h e r e s e a r c hr e s u l t sc a n p r o v i d er e f e r e n c ef o rs a f em i n i n go fi s l a n df a c e ． K e y w o r d s I s o l a t e dw o r k i n gf a c e ；D i s p l a c e m e n tv a r i a t i o no fo v e r l y i n gs t r a t a ； T h ec h a n g eo fo v e r l y i n gr o c kd i s p l a c e m e n t ；S t r a t aa p p e a r a n c e I I 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I 1 ．1 问题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 论文的研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1 主要研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第2 章孤岛工作面围岩结构研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 ．1 围岩结构断裂破坏研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2 孤岛工作覆岩结构特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．3 薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 ．1 地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 ．2 工作面围岩特征与赋存状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 ．3 巷道内粉尘影响和瓦斯煤尘的自然发火情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 第3 章孤岛工作面应力场演化数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 ．1 F L A C 3 D 软件介绍⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 ．2 F L A C 3 D 建模原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．3 F L A C 3 D 有限差形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 3 ．4 摩尔一库伦塑性模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．5 F L A C 3 D 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 3 ．6 孤岛工作面两侧采空区开挖对围岩的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．7 孤岛工作面不同开挖距离围岩的应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．8 两侧采空区孤岛工作面冲击地压研究分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 第4 章孤岛工作面开采相似模拟实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 相似模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．2 相似模型监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．1 相似模型的位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 ．2 相似模型应力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．3 模型开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．3 ．1 实验开采过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．3 ．1 孤岛工作面相似模拟开采实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 万方数据 目录 4 ．4 孤岛工作面回采过程中围岩位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 孤岛工作面开采过程中应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．5 ．1 孤岛工作面顶底板的应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．5 ．2 老顶的力学性态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．5 ．3 孤岛工作面顺槽行道应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 第5 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 攻读硕士期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 第1 章绪论 近年来由于经济发展的影响煤炭资源被无休止的开挖，煤炭资源逐渐呈现枯 竭的态势，特别是易开采的煤炭资源更加短缺，据相关资料显示，到2 0 3 0 年我国 煤炭在能源消费中的比重仍将约占7 0 ％[ 1 】，由于煤炭资源不可能在短时间内形成， 因此虽然我国是煤炭储备量大国，但是资源问题在我国仍然比较突出，另外我国 煤炭产出率并不高，如何提高煤炭的开采率成为当前解决资源回收的主要矛盾， 我国目前上世纪中前期建成投产的矿井，基本进入了衰老阶段 如开滦集团赵各 庄矿、潞安集团石圪节矿等 ，经过国内学者的多年的探索研究得出，孤岛工作 面的回采可以较好的解决这些问题。 为了避免相邻工作面的干扰，全国范围内形成了多种形式的孤岛工作面，其 中较为常见的为沿工作面走向的两侧采空孤岛工作面，在两侧采空孤岛工作面开 采过程中经常会出现冲击地压、煤与瓦斯突出【2J 、围岩的项地板裂隙破坏移动的现 象，这些现象的发生严重的影响了矿井的日常生产，严重的威胁着工作面工作工 人的人身安全，严重的影响矿井的经济效益。 孤岛工作面的形成原因主要有以下常见的两种 1 在矿井开采过程中由于矿井的地质环境构成，由于煤层的不连续性等， 造成了采煤工作面形成了孤岛。 2 由于一些矿井在开采时受到的开采技术的限制，我国2 0 世纪4 0 年代的 矿井在开采时由于开采技术不够完善为了达到避免工作面间的扰动会形成孤岛工 作面。 孤岛工作面的覆岩结构破坏与矿压显现规律研究是在薛村矿1 4 0 9 3 工作面已 经回采的情况下展开的，对薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面回采过程中煤壁的片帮和项 板的裂隙破坏有重大意义，薛村矿地质条件复杂，煤层软，在回采过程中顶板易 产生裂隙破碎，不易控制，在孤岛工作面回采过程中，由于工作面周围已经采空， 工作面的矿山压力大，工作面推进方向形成前支撑压力[ 3 J ，煤壁的片帮严重，回采 巷道的围岩收到支撑压力影响，帮股、底鼓、和项底板变形严重，对回采工作面 的影响很大。 论文的研究重点是在孤岛工作面的开采过程中，研究孤岛工作面采空区覆岩 的应力变化规律和围岩的移动变形，裂隙破坏等，孤岛工作面的两侧开采后，岩 万方数据 塑 三堡丕堂堡主兰篁笙窒 层的原始平衡应力被破坏，孤岛工作面的围岩出现裂隙，那么在进行孤岛工作面 的开采过程中，岩层的破坏范围继续扩大，裂隙范围的扩大是孤岛工作面开采过 程中最大的灾难性危害，孤岛工作面两侧开采后[ 5 2 ．5 4 ] ，孤岛工作面的媒体支撑压 力增大，在孤岛工作面开采过程中，煤体的支撑压力增大是严重影响到工作面顺 槽的稳定性和孤岛工作面支架的稳定性，虽然这些现象是煤矿实际生产过程中常 见的现象，但是国内对孤岛工作面开采的研究并没有能较好的解决这些问题。 论文的研究重点为孤岛工作面的回采过程中采空区的上下顶底板和孤岛两侧 的顺槽煤柱以及在回采过程中采空区覆岩的应力变化，这些问题的研究分析对提 高矿井的安全生产有着重要指导意义，并且为相似条件下孤岛工作面的开采提供 了很大的参考价值。 1 ．2 国内外研究现状 煤矿各大采区工作面之间为了避免采掘扰动和防止瓦斯自燃【5 5 。5 7 J ，通常在工 作面间采用跳采的方式，因此国内煤矿中形成了很多孤岛工作面，我国上世纪4 0 、 5 0 年代建成的各大煤矿很大一部分煤矿都己进入了回采阶段，更甚者有一部分煤 矿的运行需要依靠回采来维持，回收采区煤炭资源的技术主要有炮采和巷采，当 然对于煤炭赋存条件好的矿井可以选用一些先进的开采技术如分层机采和轻型放 顶煤等。 近年来，我国学者对孤岛工作面围岩的认识进入了更高的水平和解决了在孤 岛工作面开采过程中所面临的一些实际问题，由于地质构造和煤层赋存条件的不 同我国不同的矿区存在着多种形式的孤岛工作面，国内外很多学者针对不同形式 的孤岛工作面进行了很多研究，例如孤岛工作面开采过程中覆岩运动破坏的研究， 山东科技大学宋振骐院士提出了著名的“传递岩梁”理论【4 J ，对孤岛工作面开采过 程中老项断裂后采用“梁”的分析理论，并对断裂后的岩层采用“二块铰接”的 力学模型来加以分析阐述，中国矿业大学钱鸣高院士在认真观察记录实际开采过 程中老顶破裂后周围岩体后，提出了著名的“砌体梁”理论，该理论深入的研究 了孤岛工作面开采过程中裂隙带岩层形成的过程和裂隙结构平衡的条件，例如孤 岛工作面开采过程中巷道的矿压研究，中国矿业大学柏建彪教授结合王庄矿6 1 0 8 孤岛工作面，研究了该孤岛工作面巷道的围岩控制机理，例如孤岛工作面开采过 程中冲击地压的研究，冲击地压是孤岛工作面开采过程中极易发生的灾害，冲击 地压是指孤岛工作面或者井巷的围岩在弹性性能瞬间释放的同时产生的破坏现 象，冲击地压的发生同时会有煤岩体的抛出，冲击波等等现象，对冲击地压的能 量划分为微冲击，弱冲击，中等冲击，强烈冲击和灾难性冲击对冲击地压p J 的研究 万方数据 第1 章绪论 主要集中在冲击地压发生的机理，如何预测冲击地压和对冲击地压的防治三个方 面，这些问题提出是现场实际开采过程中经常出现并对煤矿的安全生产产生重大 威胁的常见问题。 目前随着孤岛工作面的研究不断加深，孤岛工作面开采技术的研究还有很大 的提升空间，在深入研究孤岛工作面采区的应力变化和覆岩的位移变形后，解决 了一系列的孤岛工作面开采中的问题，并且很多学者在孤岛工作面的相关问题上 取得了较大的成绩【6 l ，但是由于各大煤矿的开采技术限制，开采设备不同和开采因 素的多样性，目前仍然没有一套较为完善的孤岛工作面开采理论，孤岛工作面的 开采仍然面临很对问题，因此孤岛工作面覆岩问题的研究是一个亟待解决的难题。 1 ．3 论文的研究方法与技术路线 结合冀中能源峰峰集薛村矿1 4 0 9 3 回采工作面对孤岛工作面开采进行深入研 究，包括孤岛工作面开采过程中采空区的顶板底板的位移变化和应力变化，孤岛 工作面开采过程中采区两侧护巷煤柱的应力变化和变形以及采区周围岩体的变形 等【7 1 ，冀中能源薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面，由于工作面周围均己采空，工作面受到 极大的矿山压力，因此会出现采煤工作面的片帮现象，回采巷道的底鼓，上顶下 沉现象比较剧烈[ 引，对采区的影响很大，孤岛工作面开采区域一定范围内的煤体处 在高应力集中的状态，孤岛工作面的覆岩受到了一定的破坏，在孤岛工作面推进 过程中工作区的围岩将会受到极大的影响，所以应首先分析孤岛工作面开采过程 中围岩的断裂破坏，在孤岛工作面开采过程中，围岩受到的应力不断加大，围岩 的破坏逐渐明显[ 8 ] ，并且在孤岛工作面开采过程中会伴随着冲击地压现象的发生， 通过相似模拟实验，对两侧采空孤岛工作面开采的过程进行相似模拟，借此来对 比研究分析孤岛工作面开采过程中孤岛工作面两侧采空区和孤岛工作面采空区围 岩的变化规律，通过数值模拟软件建立孤岛工作面模型【1 ⋯，通过数值模拟软件模 型的开采过程，研究分析孤岛工作面两侧采空区，孤岛工作面两侧巷道，保护煤 柱等应力变化规律。 1 ．3 ．1 主要研究方法 1 、通过大量调研，查阅文献等工作，结合薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面的回采具 体实际情况，对孤岛工作面回采过程中覆岩的应力变化和变形进行理论的分析研 究。 2 、通过建立薛村矿1 4 0 9 3 工作面相似模型，对相似模型进行开挖，研究分析 孤岛工作面回采过程中工作面覆岩的应力变化，位移变化，冲击地压等‘9 1 。 万方数据 塑j 三堡丕堂堡主堂篁笙茎 3 、通过F L A C 3 D 数值模拟软件，结合冀中能源峰峰集团薛村矿地质资料建立 模型，模拟孤岛工作面开采过程，借助F L A C 3 D 数值模拟软件得出孤岛工作面围岩 的应力变化云图和位移云图来研究分析覆岩的变化特征{ 1 H 4 } 。 1 ．3 ．2 主要研究内容 1 、查阅与孤岛工作面有关的文献、资料等，总结孤岛工作面采空区的围岩结 构特征，孤岛工作面采空区的围岩的一般变化特征等，特别是对围岩的应力分布 变化，围岩的位移变化的研究分析。 2 、孤岛工作面回采围岩的应力变化规律和破坏范围研究，通过相似材料模拟 技术，构建与冀中能源峰峰集团薛村矿1 4 0 9 3 工作面地质条件相似的模型，通过 对相似模型的开挖来模拟孤岛工作面开挖，研究分析孤岛工作面开采过程中覆岩 的变化，包括，覆岩裂隙的产生，断裂的发展，垮落的产生，冲击地压的产生和 破坏范围。 3 、根据孤岛工作面的地质资料建立数值模型，通过对数值模型的开挖来模拟 孤岛工作面开挖，通过定性的分析和定量的数据来研究分析孤岛工作面围岩的应 力变化和位移变化等【1 0 1 。 1 ．3 ．3 技术路线 图1 - 3 ．3 技术路线图 F i g ．1 3 3 T e c h n o l o g yr o a d m a p 4 万方数据 第2 章孤岛工作面围岩结构研究 第2 章孤岛工作面围岩结构研究 孤岛工作面围岩结构的破坏规律研究一直是人们长期关注的问题，在孤岛工 作面掘进过程中，由于地下煤体的采出，采空区的应力力学结构平衡被破坏，导 致工作面的围岩产生了裂隙进而产生孤岛工作面围岩结构的移动破坏等现象，孤 岛工作面围岩结构的研究一直以来都是孤岛工作面研究的重点[ 5 8 - 6 0 ] 。 2 ．1 围岩结构断裂破坏研究 对围岩结构的研究早在上个世纪就已经开始了，其中具有代表性的理论有较 早的多里斯和哥诺的多里斯一哥诺理论，也译为“法线规则”【15 。1 7 J ，该理论得出 顶板围岩在发生断裂时，顶板的运动只在应力p 1 的影响下产生，并且采空区的断 裂方向是一致的，虽然这个理论不是很成熟，但是该理论在一定程度上也能解决 围岩的断裂问题，针对孤岛工作面围岩的运动研究，斯巴列第一次提出了岩层弯 曲断裂的理论，该理论假设岩层的运动是由于岩层的断裂引起的，并与断裂面的 弯矩有关，2 0 世纪5 0 年代苏联阿威尔辛认为在没有受到回采工作面的采动影响下， 孤岛工作面的围岩处于弹性状态和应力平衡状态8 1 ，在岩层破坏的同时，会出现 岩层变形，并且岩层的弹性状态和应力平衡状态将会被破坏，因此孤岛工作面围 岩产生会产生一定的移动，在煤体开采下对岩体的水平移动和变形进一步分析， 在时间因素的影响下，从煤体开采到开采完全结束，由于矿产的不断采出，采区 空间的不断扩展，采取的围岩不断发生应力平衡的破坏，覆岩拉伸和压缩不断发 肚[ 1 9 1 ．．L 0 截止到目前，孤岛工作面相关问题己成为我国学者的一大研究重点，还有孤 岛工作面开采过程中的采空区应力的变化规律和孤岛工作面的最小开采深度等问 题，由于孤岛工作面在开采过程中孤岛工作面覆岩已经发生了破坏，打破了原有 的应力平衡[ 2 0 。2 2 1 ，为了研究孤岛工作面开采过程中覆岩的运动和破坏应首先分析 研究开采过程前后覆岩的断裂破坏，根据山东科技大学宋振骐院士提出的“传递岩 梁’，[ 2 0 1 理论，将孤岛工作覆岩岩层简化为固定梁模型【2 3 】，对该模型进行力学结构研 究，分析围岩结构断裂破坏的原理，在孤岛工作面坚硬顶板采煤方向，山东科技大 学蒋金泉教授引入了岩板理论，该理论加深了人们对孤岛工作面开采过程中围岩 运动的形式和规律的研究。 万方数据 堂三堡丕堂堡圭堂篁笙窭 对回采巷道的研究一直是国内外学者研究的重点，2 0 世纪初期，国内外的很 多学者就对回采巷道的围岩控制提出了很多理论，特别是二十一世纪中期回采巷 道的围岩控制研究取得了丰厚的理论成果，其中具有代表性的理论有俄国采矿学 家M ．M 普罗托季亚可诺夫提出的巷道．硐室自然平衡拱理论[ 2 5 - 2 7 1 ，该理论主张认 为，巷道的围岩是松软的岩体，在巷道开挖后，巷道自然形成压力拱，压力拱的 上部岩体不受扰动影响，下部的岩体会受到采动的影响并随着时间的推移自然的 形成松动，直至冒落，此时形成自然稳定拱，巷道．硐室自然平衡拱理论宽泛的描 述解释了巷道的围岩特征，但是该理论忽略了围岩的内摩擦角和粘聚力等因素， 因此该理论与现场实际中很多情况不符合【2 引。 巷道的围岩控制理论是有日本神户大学教授樱井春辅教授在2 0 世纪6 0 年代 首先提出的，该理论认为在工作面的回采过程中，可以通过一定的技术手段来降 低回采巷道周围岩体的支撑压力并将支撑压力传向巷道围岩的深处，进而提高了 巷道周围岩体的稳定性，同时期的南非学者萨拉蒙提出了能量支护理论，该理论 认为在回采巷道围岩的变形破坏过程是一个能量释放的过程，然而巷道支护结构 可以吸收围岩释放的能量，基于能量总体保持一定的前提下，可以通过巷道的围 护对围岩的破坏进行调整进而达到控制巷道围岩稳定的效果，我国太原理工大学 杨双锁教授提出了著名的围岩波动性平衡理论，该理论细致地阐述了围岩变形的 整个过程，首先巷道的围岩为弹性变形，进而为塑性变形，最后发生破裂松动， 但是在有一定支护前提下，围岩仍有一定的承载能力。 近年来孤岛开采日益受到人们的关注，孤岛工作面研究的重点就是孤岛工作 面回采过程中巷道的围岩控制，孤岛工作面与一般工作面相比，孤岛工作面回采 巷道的围岩活动更加频繁，冲击地压的发生概率和危害性更大，因此孤岛工作面 回采巷道的研究对煤矿的日常安全生产有着重大意义。 2 ．2 孤岛工作覆岩结构特征分析 人们将孤岛工作面上覆岩层结构模拟为两端固定的支梁模型，孤岛工作面上 覆岩层从上之下的岩层依次为1 ，2 ，3 ，直至到n 层，那么由组合梁原理可知，每 个组合梁上弯矩M ，和剪切力Q 都由这些岩层分别最小的截面负担，弯矩M 和 剪切力Q 之间的关系可以按如下表示【2 刿； M m l m 2 m 3 o o o m n 2 1 0 2 q l q 2 q 3 0 0 0 缈 2 ．2 由于孤岛工作面上覆岩层结构中岩梁的曲率在岩梁自身的重力作用下是各不 相同的，并且岩梁曲率与岩层弯矩的关系为【3 0 】 6 万方数据 第2 章孤岛工作面围岩结构研究 K l 一1 鲣 2 ．3 P 1E a t 在孤岛工作面开采过程中可以将整个工作面近似看为两端固定并且岩梁逐渐 弯曲下沉，并且每层岩梁最大的曲率为； 加舻篆； 2 - 4 每层岩梁的最大挠度为； 刃m x f j 3 2 m 生i E i ； 2 - 5 式中弦一岩层中第i 层岩梁的容重； 厶一岩层中第i 层岩梁的跨度； E ，一岩层中第i 层岩梁的弹性模量； m i 一岩层中第i 层岩梁的厚度； 通过以上的公式可以得出，在孤岛工作面开采的整个过程中，孤岛工作面的 煤岩层由于应力变化的影响，会呈现出一个持续变化的运动过程，在这个过程中， 当上覆岩层之间的最大拉应力过大时且超过了岩层的极限抗拉强度时，最先出现 的就是上覆岩层的弯曲变形阶段【3 ，继而由于拉应力的持续增加，孤岛工作面上 覆岩层之间会出现离层的现象，当岩层内拉应力过大时，这时岩层会出现裂隙， 甚至岩层断裂现象，岩层断裂现象会伴随着岩块的跨落，严重时会出现整个岩层 的跨落，所以有时也称为岩层的跨落阶段。 2 ．3 薛村矿1 4 0 9 3 孤岛工作面概况 2 ．3 ．1 地质条件 冀中能源峰峰集团薛村矿以单斜结构为主，地势北高南低，地表多为丘陵地 貌且薛村矿地表绝大部份己被开垦为农田，井下位于韦武神岗南翼，薛村矿1 4 0 9 3 工作面东为1 4 0 3 7 采空区，西为1 4 0 9 7 采空区，工作面的地表虽然有农作物，但 是在孤岛工作面回采过程中对地表产生的影响不是很大。 对井田内的大煤，野青和山煤的采掘水文地质进行情况分析，大煤顶板为含 水层，野青灰岩含水层，伏青灰岩含水层均与奥灰含水层无联系，在开采大煤煤 层时涌水现象多为老顶的砂岩层涌水为主，在进行孤岛工作面回采时大煤工作面 的老顶砂岩层涌水量约为0 ．3 0 ．5 m 3 ／m i n ，野青煤层在掘进时经常会遇到岩层的断 裂，此时野青岩层的顶板野青灰岩层的局部会有淋水的现象发生，淋水量为 万方数据 ～ 塑 三堡丕堂堡圭堂篁笙塞 0 ．1 0 ．2 m 3 ／m i n ，随着矿井内实施疏放，野青煤层工作面的回采期野青灰岩含水层一 般无水。 冀中能源峰峰集团薛村矿是上世纪四十年代年开始投入生产的，该矿井的生 产能力为年产1 3 0 万吨，主要采掘的煤层为5m 厚的2 煤层，埋深在5 0 0 m 左右， 配采煤层为4 ≠≠煤层 野青 ，煤层的厚度为1 ．6 米厚，其余全部为贫煤，老顶为 细沙岩，厚度为2 0 一3 0 m 老顶密度为2 ．5 3 M P a ，直接项为细沙岩或砂页岩，厚度 为1 ．1 _ 2 ．4 m ，直接顶的密度为2 ．6 0 M P a ，薛村矿的煤层主要有； 1 大煤煤层2 煤，煤层结构复杂，属于稳定煤层，平均煤厚为5 ．2 米， 钻探及采掘揭露煤层为2 ．4 一．4 3 米。 2 野青煤层4 煤，煤层结构接单，属于较稳定煤层，在煤层的断裂附近 处煤层的变化较大，平均煤厚为1 ．7 米，实际证明煤层厚度的变化在1 2 ．3 米。 3 山青煤层6 煤，煤层稳定，结构简单，煤层中含有较多的矿物质，平 均厚度在1 ．6 米，经地质勘探掘进揭露煤层厚度为O ．卜1 ．4 米之间，山青煤层受到 构造的影响局部不可开采。 2 ．3 ．2 工作面围岩特征与赋存状态 表2 1 薛村矿1 4 0 9 3 工作面围岩特征表 坐 旦兰 竺垒璺翌里 星堕 堕竺 竺 墅 坚Q 旦里旦 里g Q 壁垒Q 兰Q 竺 Q 些i 望g 垒里曼 里 顶板名称 岩石名称厚度 m 岩性特征 表2 - 3 薛村矿1 4 0 9 3 工作面的开采范围 T a b l e 2 3M i n i n ga r e ao ft h e14 0 9 3w o r k i n gf a c e 万方数据 第2 章孤岛工作面围岩结构研究 2 - 3 ．3 巷道内粉尘影响和瓦斯煤尘的自然