巨厚砾岩采场支承压力分布规律实验研究.pdf

论文题目巨厚砾岩采场支承压力分布规律实验研究* 学科名称采矿工程 硕 士 生王丰年签名 指导教师柴敬签名 摘要 具有坚硬巨厚顶板、大埋深、厚煤层的采场，其覆岩结构及运动是矿井动载矿压事 故的重要影响因素。巨厚砾岩层作为一种特殊的含煤地层结构，由于其结构和力学等特 殊性质，使得随着工作面煤层开挖，巨厚砾岩的破断前后支承压力分规律与一般开采环 境存在一定的差异性。支承压力往往是采场围岩灾害的主要动力来源，研究巨厚砾岩下 采场支承压力分布规律具有重要意义。 本文以千秋煤矿巨厚砾岩层地质条件为基础， 通过建立适合的支承压力力学模型并 对巨厚砾岩层下采场周围支承压力分布规律进行数值计算， 同时对光纤在外载荷作用下 频移分布规律进行了探究试验， 为分布式光纤应用于模型试验煤层底板支承压力测试奠 定基础，其次搭建三维模型试验平台，研究采场周围煤岩体支承压力分布规律，并首次 提出了分布式传感光纤支承压力测试系统。 研究表明，根据关键层理论和关键层破断前后载荷转移特点建立的理论模型，得出 倾向支承压力峰值约 38 MPa，峰值到煤壁距离约 95 m，影响范围约 200 m，走向支承 压力峰值约 51 MPa，峰值到煤壁距离约 100 m，影响范围约 210 m；通过 FLAC3D数值 模拟，得出巨厚砾岩层下采场周围走向和倾向支承压力分布规律及塑性区分布特征；对 传感光纤进行了标定试验，结果表明外载荷和光纤布里渊频移呈较好的线性关系，拟合 系数达到 0.952，并首次提出了模型试验传感光纤支承压力测试系统；三维物理相似模 型实验中，巨厚砾岩层初次破断和周期破断都伴随着工作面强烈的压力显现，其中下组 巨厚砾岩破坏初次破坏距离 384m，下组砾岩周期破断距离约为 117.3 m，上组砾岩层初 次破断距离约为 576 m，上组砾岩层周期破断距离约为 208 m，下组砾岩层破断是采场 周围动力灾害的主要动力来源； 分布式光纤支承压力测试系统能够用于模型试验中表征 支承压力的变化规律，与压力传感器相比有良好的对应关系，且光纤测试具有高精度、 抗干扰能力强等电式传感器不具备的优点，为模型实验支承压力测试提供新思路。 关 键 词巨厚砾岩；三维模型试验；支承压力；分布式光纤传感；光纤标定试验 研究类型应用研究 *本文得到国家自然科学基金项目51174280的资助 SubjectExperimental Study on Distribution Law ofAbutment Pressure under the super thick conglomerate* Specialty Mining Engineering NameWang FengnianSignature InstructorChai JingSignature ABSTRACT The structure and movement of the strata with hard and thick roof, large burial depth and thick coal seam are the important influencing factors of mine dynamic load. The super thick conglomerate layers are widely distributed in the geology of the field in Shaanxi, Henan, Anhui and Shandong as special structures. Due to the special properties of the structure and mechanics of the super thick conglomerate layers, there are some differences in the law of abutment pressure between the coal seam excavation and the super thick conglomerates before and after the breakage. Among them, the dynamic change of abutment pressure around the working face is often the main source of power for the surrounding rock disaster, and it is very important to study the distribution law of the abutment pressure under the super thick conglomerate. Based on the geological conditions of the super thick conglomerate in the Qianqiu coal mine, this paper establishes a suitable abutment pressure mechanics model and simulates the influencing factors and distribution law of the abutment pressure under the super thickened conglomerate. At the same time, the optical fiber is shifted under external load ,and the distribution law is analyzed, and the distributed fiber is used to lay the foundation for the test of the abutment pressur under the coalbed floor. Secondly, the three-dimensional test model is set up to study the distribution law of the abutment pressure of the coal and rock mass around the working face, and the distribute fiber sensing results of the test are compared with the traditional floor pressure sensors, and the results provide that the basis for improving the support state of excavation space and optimizing the advance support of roadway. The results show that according to the theory of key stratum and the key layer breaking load transfer characteristics before and after establishing the theory model, concluded that tend to abutment pressure peak value is 38 MPa, peak to the coal wall distance is about 95 m, affect the range of about 200 m, towards the abutment pressure peak value of 51 MPa, peak to the coal wall distance is about 100 m, influence range is about 210 m; Based on the FLAC3D numerical simulation, the distribution of the pressure and the tendency of the pressure distribution and the characteristics of the distribution of the pressure distribution and the trend of the pressure distribution are obtained by using the FLAC3D numerical simulation. The sensing optical fiber, the calibration experiment results show that the load and fiber brillouin frequency shift had good linear relationship, fitting coefficient is 0.952, and put forward the modeltestforthe firsttime sensingfiberbearingpressuretestsystem;Similar three-dimensional physical model experiment, the thick conglomerate layer broken first and periodic breakage have been accompanied by face strong pressure, which the thick conglomerate damage under the group first destroy the distance is 384 m, the group conglomerate cycle breaking distance of about 117.3 m, the first group conglomerate layer breaking distance is about 576 m, the group conglomerate layer cycle breaking distance is about 208 m, the group conglomerate layer fracture is the main power source stope surrounding power disaster; Distributed optical fiber abutment pressure test system can be used to characterize the change rule of abutment pressure in model test, have a good corresponding relationship with the traditional test, and optical fiber has high precision, strong anti-interference ability and so on electric sensor do not have advantage, provide new ideas for model experiment stope support pressure test. Keywords Super thick conglomerate; Three-dimensional Model Experiment; Abutment Pressure; Distributed Fiber Optic Sensing; Calibration Test ThesisApplied Study *This paper is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51174280 目录 I 目录 1 绪 论.......................................................................................................................................1 1.1 选题背景......................................................................................................................1 1.2 研究意义......................................................................................................................2 1.3 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.3.1 支承压力理论分析研究现状............................................................................2 1.3.2 支承压力理论计算研究现状............................................................................3 1.3.3 支承压力测试方法研究现状............................................................................6 1.3.4 采矿工程领域光纤传感研究现状....................................................................7 1.4 存在问题..................................................................................................................8 1.5 研究内容、方法及研究技术路线..............................................................................8 1.5.1 研究内容............................................................................................................9 1.5.2 研究方法............................................................................................................9 1.5.3 研究技术路线..................................................................................................10 2 巨厚砾岩层下工作面支承压力理论模型解算....................................................................11 2.1 工程地质条件.............................................................................................................11 2.2 千秋煤矿关键层位置确定.........................................................................................12 2.3 压力拱理论及关键层破断前后载荷转移特点分析.................................................12 2.3.1 围岩压力拱理论..............................................................................................13 2.3.2 关键层破断前后载荷转移特点分析..............................................................13 2.4 支承压力模型及数值解.............................................................................................15 2.4.1 倾向支承压力理论分析..................................................................................15 2.4.2 走向支承压力理论分析..................................................................................19 2.5 本章小结.....................................................................................................................22 3 巨厚砾岩下支承压力规律数值计算....................................................................................23 3.1 模型建立.....................................................................................................................23 3.2 力学参数的选取.........................................................................................................24 3.3 模型开挖及结果分析.................................................................................................26 3.3.1 倾向支承压力分布规律..................................................................................26 3.3.2 走向支承压力分布规律..................................................................................28 3.3.3 煤层底板支承压力分布规律..........................................................................29 3.4 本章小结.....................................................................................................................32 4 光纤标定试验........................................................................................................................33 目录 II 4.1 带护套光纤结构.........................................................................................................33 4.2 光纤传感感原理性.....................................................................................................33 4.3 光纤受力分析.............................................................................................................35 4.4 光纤轴向应变传递原理.............................................................................................35 4.5 标定试验平台搭建.....................................................................................................37 4.6 标定结果分析.............................................................................................................38 4.7 本章小结.....................................................................................................................40 5 三维模型试验........................................................................................................................41 5.1 模型试验设计.............................................................................................................41 5.2 模型试验监测系统.....................................................................................................43 5.2.1 压力传感器测试..............................................................................................43 5.2.2 传感光纤支承压力测试..................................................................................44 5.3 模型开挖及试验过程.................................................................................................45 5.4 模型试验测试结果分析.............................................................................................45 5.4.1 工作面初次来压和周期来压判别..................................................................45 5.4.2 砾岩层破坏特征分析......................................................................................49 5.4.3 工作面煤层走向支承压力分布规律.............................................................53 5.4.4 工作面倾向支承压力光纤布里渊频移分布规律..........................................58 5.4.5 249-96 号压力传感器支承压力分布规律...................................................60 5.4.6 对比分析..........................................................................................................63 5.5 本章小结.....................................................................................................................65 6 结论及展望............................................................................................................................67 6.1 结论.............................................................................................................................67 6.2 展望.............................................................................................................................68 致谢...........................................................................................................................................69 参考文献...................................................................................................................................70 附录...........................................................................................................................................75 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景 煤炭作为我国能源结构的主体部分，在未来三十年依然不可动摇，仍然是我国经济 增长长期依赖的主要能源[1]。其中，我国 90以上的煤层产量来自于井工开采，且经过 长期大规模的开发利用， 煤炭资源日结枯竭， 煤层开采深度以每年 1025 m 的速度延伸， 平均采深已经达到 700m 左右，中东部主要框架采深均达到 8001000 m[2]。深部围岩的 稳定控制问题已经成为制约深部矿井安全高效生产的关键因素之一。 巨厚砾岩作为一种特殊的地质构造存在煤层上方，其本身不仅是一个深部开采问 题，更是一个具有坚硬岩层的冲击倾向性岩层控制问题。由于巨厚硬岩层的存在，巨厚 岩层必然会影响采场开挖前后空间和构造破碎过程的演化， 必然导致采场采场地压与普 通环境明显不同。随着开采强度和范围增大，巨厚砾岩层复杂性、阶段性和突发性的滑 落失稳， 必然导致动应力影响范围大、 动力显现速度快、 动力灾害后果难以预测等结果， 是发生重大事故的主要原因[3]。煤层走向长壁开采后，煤岩体内原岩应力再分布，从而 在工作面周围出现支承压力的“三区”分布状态，形成了采动应力场[4]，通过大量的理 论与实践表明，在各种形式的复杂矿山压力显现中支承压力起主导作用，其往往是矿井 复杂动力灾害的主要动力源，从而导致冲击地压、顶板大面积垮落等矿井动力现象的发 生[5]。 千秋煤矿主采煤层为 2 号煤层， 厚度为 15-24 m 煤层及其上覆岩层总厚度 805.32 m， 煤层上方 209.5 m 处发育有巨厚砾岩，该段砾岩总厚度 410.2 m，分为上下两组，上组 厚 250 m， 下组厚 160 m， 中间存在 0.2 m 的软弱夹层， 砾岩弹性模量平均 3210 MPa， 抗拉强度 5.5 MPa，平均抗压强度 75 MPa，最大抗压强度 95 MPa，属于典型的巨厚坚 硬岩层， 在煤层上方还存在以粉砂岩和细砂岩组成的复合亚关键层， 厚度达到了 135 m。 本文以千秋煤矿巨厚砾岩层地质条件为基础，针对巨厚砾岩层这一特殊地质条件，其支 承压力是该工况下动力灾害主要来源这一特点， 对巨厚砾岩层破断前后支承压力分布规 律进行研究。目前关于巨厚砾岩下采场支承压力分布规律分布特征有一定的研究成果， 但是研究成果比较杂乱，且没有形成统一的系统研究，本论文将由此展开系统性研究。 光纤传感技术从提出到现在经历 50 多年的发展历程，经过了从理论研究到现场应 用的发展历程，同时伴随光纤通信技术的发展，以强抗干扰、高精度、低损耗、易于探 测器接收等诸多优点而迅速发展起来[6]。目前光纤传感技术在矿业工程领域采场覆岩变 形监测、桥梁灌注桩变形监测、隧道支护变形监测、边坡稳定性分析与大坝坝体变形监 西安科技大学硕士学位论文 2 测等岩土工程地质领域得到了广泛的应用， 同时在船舶与机械等结构健康监测方面取得 了大量的研究成果，其监测性能稳定、监测范围广、测试精度高，对此类工程地质监测 具有重要意义[7]。 1.2 研究意义 巨厚砾岩下采场围岩应力重分布作为矿井生产动力灾害的主要来源， 其分布规律对 巨厚砾岩层下冲击地压防治、煤与瓦斯突出、顶板大面积垮落等矿井动力现象具有有一 定的指导意义。在模型试验中，对支承压力监测手段基本都是电阻式压力传感器，其测 试性能不稳定、抗干扰能力差等缺点，尤其是将电阻式压力传感器埋设在三维模型实验 中，传感器受模型内部水分的影响较大，特别易失灵，导致监测数据失真。基于布里渊 散射的传感光纤作为一种新的监测技术，其具有空间分布率高、抗干扰能力强等优点， 本论文首次将光纤传感技术应用于模型试验支承压力测试，为支承压力测试提供新思 路。 另外， 基于巨厚砾岩下采场支承要分布规律的研究， 鲜有采用较为理想的实验条件， 比如三维物理相似模拟实验，本文将以三维物理相似模拟实验为基础，展开对巨厚砾岩 下支承压力分布规律进行研究，搭建了三维物理模型试验平台，能够更加有效监测模型 倾向支承压力分布规律，为理解模型试验工作面支承压力分布规律提供更加广阔的思 路，研究成果对于类似条件矿井的冲击地压防治具有借鉴意义。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 支承压力理论分析研究现状 在煤层内开掘巷道或煤层开采后，巷道或采场围岩必然出现应力重新分布，一般将 巷道或采场侧向围岩改变后的切向应力增高部分称为支承压力[8]。支承压力的形成和分 布规律发生改变的根本原因在于采场煤层的开挖， 其导致上覆岩层发生了周期性破断等 动力现象。为了解释煤层开采时在采场周围引起的压力显现，国外学者提出了众多矿山 压力控制理论，主要有 Hack 和 Spruthti 提出围岩应力拱理论、O.Jacobi 提出的塑性移动 盆理论、Pons 和 Wakker 建立的自然平衡拱（压力拱）理论、Labasse 建立的预成裂隙理 论和 Kegel 建立的板理论等，这些理论都从各自的角度阐述了采场围岩应力分布特征， 以及覆岩的力学变化形态[8]。K.YHaramy 和 J.P.McDonnel[9]认为冲击的地压发生几率， 在具有坚硬顶底板和处于高应力条件下的深部矿井工作面和巷道极易发生。Alan A. Campol[10]等人， 对美国东部具有冲击地压倾向行性的矿井进行了统计研究， 认为具有较 厚的和坚硬的顶底板岩层、厚度较大表土层是诱发冲击地压的主要动力来源，同时由于 煤层厚度大、开采强度大，由开采引起的应力扰动进一步增大了发生冲击地压等动力灾 害的风险。 1 绪 论 3 国内对煤层开采后矿山压力与岩层控制较为成熟的理论， 主要有钱鸣高院士提出的 砌体梁理论和宋振骐院士提出的传递岩梁理论， 其中钱鸣高院士将采场围岩进行 “三区” 划分，即减压区、增压区和稳压区[11]，宋振骐院士根据采场矿山压力理论，将支承压力 的形成原因及演过过程划分成了“五区”，其将煤层上方坚硬老顶视为铰接岩块，创立 了坚硬顶板破断前后的来压预预测预报的研究方法[12]。 廖协兴等[13]以关键层理论为基础，得出关键层破断前支承压力峰值逐渐达到最大 值，直至关键层破断时支承压力大小明显下降，且应力集中系数随老顶的周期来压也呈 现明显的相关性。 姜福兴[14]深部特厚煤层在叠加应力作用下，围岩极易发生塑性滑移，并产生塑性膨 胀，导致应力增加，在外部扰动应力下增大了发生冲击地压的几率。 Ma Liqiang[16]以千秋煤矿为工程背景，对厚煤层上方巨厚砾岩破断规律进行了数值 模拟，结果表明巨厚砾岩的破断形态是互相挤压的铰接岩块结构，铰接岩块的的裂隙发 育失稳、滑落破断失稳和再平衡是导致采场周围发生冲击地压的主要原因。 张吉雄[17]对巨厚火成岩下采动覆岩应力场和裂隙场耦合演化机制做了一定研究， 得 到火成岩破断前后裂隙发育高度、 支承压力峰值和应力集中区最大高度等指标随工作面 推进的变化特征。 姜耀东[18]对巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制进行了研究， 认为巨厚坚硬顶 板容易造成顶板大范围移动变形，甚至大范围变形跨路，尤其巷底板存在较高的水平应 力，为冲击地压的发生提供了力源条件。 1.3.2 支承压力理论计算研究现状 （1）弹塑性分区支承压力理论计算 N0 γH kγH σy 0 x0 xtx p0 采空区 图 1.1 支承压力模型 支承压力作用下，采空区两侧或者前方煤体有向采场移动的趋势，依据煤壁屈服后 应力向煤体深部转移的特点去分析支承压力分布规律， 并根据弹性力学中的极限平衡理 论，将煤壁前方煤岩体划分为弹塑性和原岩应力区三部分，进行理论分析与计