云驾岭煤矿厚煤层综采覆岩活动规律研究.pdf

硕士学位论文 题目云驾岭煤矿厚煤层综采覆岩活动规律研究 作者姓名 指导教师 学科专业 所在学院 秦佳斌 高永格教授 矿业工程 矿业与测绘工程学院 提交论文日期 年星月呈生日 学一 ．毒吲，褒川 器．耐妒m河黼 万方数据 分类号 I 旦3 2 5 U D C 工学硕士学位论文 密级公珏 单位代码 Q Q 2 鱼 云驾岭煤矿厚煤层综采覆岩活动规律研究 作者姓名秦佳斌 指导教师高永格教授 申请学位级别工学硕士 学科专业矿业工程 所在单位矿业与测绘工程学院 授予学位单位河北工程大学 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 iU 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 R e s e a r c ho nO v e r l y i n gS t r a t aM o v e m e n t R e g u l a r i t yo fF u l l y - - m e c h a n i z e dM i n i n gf o r T h i c kC o a lS e a mi nY u n j i a l i n gM i n e C a n d i d a t e Q i n J i a b i n S u p e r v i s o r P r o f ．G a oY o n g g e A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e ro f E n g i n e e r i n g S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g 一 - 一一一 C o l l e g e ／D e p a r t m e n t C o l l e g eo f M i n i n ga n dG e o m a t i c s 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 J u n e ，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，也不包含为获得通兰垦王堡太堂或其他教育 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， 均己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。 学位论文储虢屏％鼠 签字嗍矽f7 | 学位论文版权使用授权书 ，1 年占月／日 ／ 本学位论文作者完全了解 塑兰垦王猩太鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰堡三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 霹经斌 聊躲扔 签字日期沙t7 年6 月7 日 签字日期矽7 年彭月7 日 万方数据 摘要 摘要 云驾岭煤矿三采区主要开采2 ≠} 煤层，厚4 ．1 m ，属于厚煤层，其开采工艺为综 合机械化一次采全高。论文以云驾岭矿三采区1 2 3 0 5 工作面为工程背景，采用了 理论分析、相似模拟、数值模拟、现场实测等方法，对厚煤层综采覆岩活动规律 进行了研究。 论文在在众多国内外学者的研究成果的基础上，基于关键层理论，建立厚煤 层综采覆岩结构力学模型，对覆岩的应力和位移变化进行理论研究。论文以云驾 岭煤矿三采区为工程研究背景进行相似模拟实验，实验主要研究厚煤层综采覆岩 的移动变形特征。论文以云驾岭煤矿为工程地质条件，采用F L A C 3 D 数值模拟软 件，通过建立平面模型，研究直接顶、亚关键层和主关键层的位移变化和应力分 布，通过建立宏观模型，研究覆岩中位移场和应力场的演化规律和最终形态，进 而得出厚煤层综采覆岩活动规律。 最后，在云驾岭煤矿三采区1 2 3 0 5 工作面布置了测站，采用Z X Z 2 0 A 型矿用 钻孑L 成像装置，监测巷道覆岩活动情况，采用钻孔应力计监测采空区围岩的应力 变化，分析检测结果，得出云驾岭煤矿三采区1 2 3 0 5 工作面覆岩活动规律，为云 驾岭煤矿的安全生产提供了一定借鉴意义，同时也为相邻矿井或相似地质条件下 矿井提供了一定参考。 关键词厚煤层；覆岩活动；相似模拟；数值模拟 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 I I 万方数据 垒 坐堑 一 A b s t r a c t T h et h i r dm i n i n ga r e ao fY u n j i a l i n gm a i nm i n e s2 ≠} c o a ls e a m ，t h et h i c k4 ．1 m ， b e l o n g st ot h et h i c kc o a ls e a m ，t h em i n i n gt e c h n i q u ef o rc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e d m i n i n go v e r a l lh e i g h ta tat i m e ．P a p e r st oY u n j i a l i n gm i n et h et h i r dm i n i n ga r e a 1 2 3 0 5 w o r l i n gf a c ea st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n a l o gs i m u l a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l dm e a s u r e m e n tm e t h o d ，t h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e d c o a lm i n i n gt h i c kc o a ls e a mo fs t r a t am o v e m e n tr u l ew a s s t u d i e d 。 P a p e ri nm a n ys c h o l a r sb o t ha th o m ea n da b r o a do nt h eb a s i so f r e s e a r c hr e s u l t s ， b a s e do nt h ek e ys t r a t at h e o r y ，t h i c ks e a mf u l l ym e c h a n i z e ds t r a t as t r u c t u r em e c h a n i c s m o d e li ss e tu p ，t h eo v e r b u r d e nr o c ks t r e s s a n dd i s p l a c e m e n to ft h ec h a n g e s i n t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ．P a p e r st oY u n j i a l i n gm i n ec o a lm i n et h r e em i n i n ga r e a f o rt h e e n f i 。i n e e r i n gb a c k g r o u n do fs i m i l a rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ht h i c k c o a ls e a mf u l l ym e c h a n i z e dm o v e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ek e y s t r a t ao f o v e r b u r d e nr o c kf r a c t u r ed e v e l o p m e n th e i g h tc o n t r o lf u n c t i o n ．P a p e rt oY u n ji a l i n gm i n e c o a lm i n ea st h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h eF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r e ．t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fp l a n a rm o d e l ，t h ed i r e c tr o o f , a n dt h ek e y s t r a t a a n dt h em a i n k e y s t r a t u m c h a n g e si nd i s p l a c e m e n t a n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，b y e s t a b l i s h i n gam a c r om o d e l ，s t u d i e st h ee v o l u t i o no ft h ed i s p l a c e m e n tf i e l da n ds t r e s s f i e l di nt h eo v e r b u r d e ns t r a t ar e g u l a r i t ya n df i n a ls h a p e ，t h i c ks e a mf u l l ym e c h a n i z e d s t r a t am o v e m e n tr u l ea r eo b t a i n e d ． F i n a l l v ．t h r e em i n i n ga r e ac o a lm i n e12 3 0 5w o r k i n gf a c el a y o u ti nY u n ji a l i n gm i n e s t a t i o n ．u s i n gZ X Z 2 0m i n eb o r e h o l ei m a g i n gd e v i c et y p e A ，m o n i t o r i n ga c t i v i t i e so f o v e r b u r d e nr o c ko fr o a d w a y ，t h eb o r e h o l es t r e s sm e t e rm o n i t o r i n gg o a fs u r r o u n d i n g r o c ks t r e s sc h a n g e ，a n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，AY u n j i a l i n gt h r e ec o a lm i n i n ga r e ao f12 3 0 5 a c t i v i t yr u l eo fw o r k i n gs u r f a c er o c ka n dp r o v i d e st h ec l o u dr i d g ec o a lm i n es a f e t yi n D r o d u c t i o nw i t ht h ec e r t a i ns i g n i f i c a n c e ，a sw e l l a st h ea d ja c e n tm i n e so rs i m i l a r g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f m i n e sp r o v i d e sAc e r t a i nr e f e r e n c e ． K e y w o r d s t h i c kc o a ls e a m ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n t ， a n a l o gs i m u l a t i o n ， I I I 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 I V 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘I A b s t t a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 _ 1 选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3 主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．4 论文技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 第2 章厚煤层综采覆岩活动规律理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 采动覆岩应力变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 采动覆岩位移变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 采动覆岩应力．位移特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 第3 章1 2 3 0 5 综采面覆岩活动相似模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 相似模拟实验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 实验目的及监测手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．2 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．3 相似参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 相似材料强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 模型铺设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．4 模型开挖及主要现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．5 光纤光栅传感器测量结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 第4 章1 2 3 0 5 综采面覆岩活动数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 覆岩垂直位移和垂直应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 ．1 平面模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 ．2 覆岩垂直位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．1 ．3 覆岩垂直应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．2 覆岩位移场和应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．1 宏观采场模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 V 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 ．2 ．2 不同关键岩层位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 3 4 ．2 ．3 不同关键岩层应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’4 4 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 第5 章1 2 3 0 5 综采面覆岩活动现场实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’4 5 5 ．1 覆岩活动监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．1 钻孔成像设备及测点布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘4 5 5 ．1 ．2 钻孔窥视仪监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 7 5 ．1 ．3 覆岩不同活动状态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．2 围岩应力监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 ．1 第一测站钻孔应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 5 ．2 ．2 第二测站钻孑L 应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘5 3 5 ．2 ．3 第三测站钻孔应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 5 发表论文和参加科研情况说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 V I 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 第1 章绪论 云驾岭煤矿位于河北省邯郸市武安市北部，是冀中能源邯矿集团标杆矿井之 一，三采区位于矿井东南部，采区地表的地形比较平坦，地面标高 2 4 6 ～ 2 5 4 ．O m ， 主要开采2 ≠} 煤层，煤层厚度在3 ．0 7 “ - - - 4 ．6 0 m 之间，平均4 ．1 0 m ，煤层中下部夹有一 层粉砂岩，夹矸厚度在0 ．2 0 ～0 ．3 0 m 之间，平均O ．2 5 m ，矿井生产能力为1 8 0 万吨 ／年，三采区采用的开采工艺为综合机械化一次采全高。云驾岭煤矿采空区处理方 式采用自然垮落法，直接顶为一层坚硬的深灰色粉砂岩，平均厚度为4 ．3 m ，直接 底为一层坚硬的灰黑色粉砂岩，平均厚度为4 ．6 m 。经鉴定，矿井属于低瓦斯矿井， 无煤尘爆炸性，无地热灾害，开采煤层为不易自燃煤层。 井田内共有7 个含水层，自上而下依次为第四系砂砾石及松散砂层含水层， 平均厚度9 6 ．4 m ，主要为承压、无压孔隙水，对三采区煤层开采无影响；二叠系石 盒子组砂岩含水层，厚度大于1 0 0 m ，距2 ≠} 煤层4 0 - - - - 5 0 m ，属承压裂隙含水层，富 水性中等；下山西组2 煤层顶板砂岩含水层，平均厚度8 ．3 m ，基本己疏干；太 原组野青灰岩含水层，平均厚度1 ．0 7 m ，上距2 ≠} 煤层2 7 m ，富水性弱，易于疏干； 伏青灰岩含水层，平均厚度6 ．0 2 m ，上距2 拌煤层6 8 m ，富水性不均一，易于疏干； 大青灰岩含水层，平均厚度6 ．2 6 m ，上距2 群煤层11 0 m ，富水性中一弱等；奥陶系 灰岩含水层，较厚，上距2 撑煤层1 4 5 m ，富水性强。 煤炭资源被采出后，在工作面后方形成采空区。采空区上方岩层原来的平衡 状态受到采动影响，发生破坏，围岩应力重新分布，上覆岩层出现不同程度的破 碎和下沉现象，直至形成新的平衡状态。至今，已有许多学者在覆岩活动及控制 领域进行了研究，提出了许多关于岩层运动的理论，其中受到普遍认可的有砌体 梁理论、悬臂梁理论、关键层理论等，这些理论在很大程度上推动了矿山开采事 业的发展，并带来较好的经济效果。其中，钱鸣高院士等学者在进行了多年的研 究和实践后，提出了采场覆岩砌体梁理论，这为采场围岩控制提供了有力的技术 支持，是矿山压力与岩层控制的重要组成部分[ 卜5 1 。随着煤炭资源不断采出，采空 区的范围逐渐扩大，覆岩会发生不同程度的垮落和下沉，必将会为工作面的回采 工作带来一定影响，甚至引起地表下沉，导致地表建筑物受损。解决好上述问题， 会在很大程度上促进矿井的安全高效生产。 论文以云驾岭矿三采区1 2 3 0 5 工作面为工程背景，采用了理论分析、相似模 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 拟、数值模拟、现场实测等方法，对厚煤层综合机械化采煤覆岩活动规律进行了 研究，研究结果为云驾岭煤矿的安全生产提供了一定借鉴意义，同时也为相邻矿 井或相似地质条件下矿井提供了一定参考。 1 ．2 国内外研究现状 矿井开采破坏了原来岩层应力场的平衡，人们开始科学的推测和概括其产生 的各种矿压显现的内在联系，提出了不同的矿山压力假说。从2 0 世纪初开始，学 者们就开始对垮落法开采条件下覆岩活动规律进行了研究，并形成了一些科学的 理论系统，其中具有代表性的有以下几种[ 6 ] 。 ①悬臂梁假说 1 9 1 6 年，德国的学者施托克提出了悬臂梁假说，并得到了英国和前苏联一些 学者的认可。施托克学者认为上覆岩层在煤层开采后形成梁的结构，可视为两部 分，工作面前方的岩层固定在原岩中，工作面后方的岩层处于悬吊状态。随着工 作面的推进，悬臂的长度增加，当达到一定距离时，发生周期性折断。这解释了 工作面周期来压和超前支撑压力的现象。但根据悬臂周期性折断计算出的载荷和 下沉量同现场实测的数据有很大差距。 ②压力拱假说 1 9 2 8 年，哈克和吉里策尔两位德国的学者共同提出了压力拱假说。此假说认 为，覆岩在采空区上方自然垮落，达到新的平衡状态，在新的平衡状态下，采空 区附近形成一个“压力拱”，拱在工作面的前方和后方有两处交接位置，成为两 个拱角。这两个拱角附近是岩层中应力集中的地方，形成应力增高区，而这两个 拱角之间则形成减压区，采场便位于减压区内。随着工作面的推进，这两个拱角 的位置也不断改变，同时“压力拱”的形状和位置也不断改变。此拱承担了“压 力拱”上方覆岩的压力，而采场中的液压支架只承担了“压力拱”下方覆岩的压 力。此假说从宏观上经典的阐释了工作面前后支承压力的分布，但是它对覆岩的 破坏过程、活动规律及支撑压力的具体分布等方面的研究远远不够。 ③铰接岩块假说 1 9 5 0 ～1 9 5 4 年，库兹涅夫为代表的前苏联学者提出了铰接岩块假说。库兹涅夫 认为，采空区上方覆岩的垮落形态有三种，自下而上分别是不规则冒落带、规则 垮落带和裂隙带。不规则冒落带中岩块的冒落形态是散乱无章的，水平方向上基 本没有挤压力的存在。规则垮落带中岩块的垮落形态是规则排列的，水平方向上 也是基本没有挤压力的存在。裂隙带中的岩块在采空区上方规则的下沉，水平方 向上岩块问存在一定的挤压力，导致该区域内的岩块可以相互铰接成一条铰链 2 万方数据 第1 章绪论 此假说揭示了覆岩的分带情况，但是没有研究铰接岩块间的平衡条件。因此，该 假说仍需要进一步探讨和科学研究。 ④预成裂隙假说 铰接岩块假说提出的同时，学者A ．拉巴斯提出了预成裂隙假说。这位比利时 学者认为，覆岩受采动影响后，其连续性受到破坏，形成非连续体。采动影响使 得原来连续的覆岩在各个方向上出现不同的裂隙，形成“假塑性体”。在采动影 响稳定后，被挤压的岩块形成“假塑性梁”。采空区上方不同高度的岩层受的挤 压力不同，下沉量也不同，当相近不同岩层下沉量的差值达到一定程度时，离层 现象便会出现。该学者认为，及时有效地支撑顶板能够维持岩块问的挤压力，使 得岩块问减少相对移动，从而控制顶板的下沉。同时，此假说对岩层进行了分区， 将工作面后方的采空区称为应力降低区，将工作面前方一定距离内的区域称为应 力增高区，将应力增高区以远称为采动影响区。在复杂的工程地质条件下，该假 说还需要进一步进行完善。 ⑤“砌体梁”力学模型 1 9 8 0 年前后，我国以钱鸣高院士为首的许多学者，结合铰接岩块假说和预成 裂隙假说，通过对许多矿井的现场观测并对其进行大量相关实验后，提出了“砌 体梁”力学模型。此模型以覆岩中坚硬岩层为骨架，软弱岩层为载荷，将铰接岩 块假说和预成裂隙假说应用于坚硬岩层的活动。此力学模型中岩块的排列类似于 砌体结构，在竖直方向上，将岩体形态分为三带，自下而上分别是垮落带、裂隙 带和弯曲下沉带，在水平方向上，将覆岩分为三区，自煤壁向采空区分别是煤壁 支撑区、离层区和重新压实区。此假说给出了矿压显现的详细解释，为较好的控 制矿山压力提供了科学的依据，目前己经得到了许多不同国家学者的一致认可， 是矿山压力控制重要的组成部分。 ⑥关键层理论 2 0 世纪初，我国学者为解决地表沉陷、突水防治、离层区充填和瓦斯抽放等 问题，对岩层控制进行了大量科学研究，并以“砌体梁”假说为根据，提出了关 键层理论。关键层能够控制采场覆岩的活动，它是一层厚而坚硬的岩层，是上覆 岩层的承载体，覆岩随着关键层的破断下沉而移动。此理论在阐释矿压显现方面 更具有说服力，可以很好地解释许多矿压问题，为我国矿山的绿色开采提供了新 的理论基础。 1 ．3 主要研究内容及方法 论文以云驾岭矿三采区1 2 3 0 5 工作面为工程背景，在众多国内外学者的研究 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 成果的基础上，采用了理论分析、相似模拟、数值模拟、现场实测等方法，对厚 煤层综合机械化采煤覆岩活动规律进行了研究，主要研究内容如下 1 建立厚煤层综采覆岩结构力学模型，对覆岩的应力和位移变化进行理论 研究。 2 在实验室进行相似材料配比试验，选取合适的配比材料，建立开采模型， 观测覆岩活动现象，监测覆岩位移场的演化，总结厚煤层综采覆岩的活动规律。 3 以云驾岭煤矿的地质条件为基础，采用F L A C 3 D 数值模拟软件，分析厚 煤层综采覆岩活动的应力场和位移场演化规律。 4 在云驾岭矿进行工业试验，观测矿压显现，分析覆岩活动规律，并提出 改进意见。 1 ．4 论文技术路线 本文拟采用的技术路线如图1 - 1 所示。 图1 。1 技术路线图 F i g ．1 1T h et e c h n o l o g yr o a d m a p 4 万方数据 第2 章厚煤层综采覆岩活动规律理论分析 第2 章厚煤层综采覆岩活动规律理论分析 矿山开采中，由于资源被采出，必然会出现采空区，而采空区的覆岩必然会 向采空区移动，出现不同程度上的破坏。其原来的平衡状态被打破，覆岩中的应 力必然会重新分布，并再次达到新的平衡状态。这个过程中，覆岩的活动会对采 场围岩甚至地表带来不同程度的破坏，引发许多安全事故。比如强烈的矿压显现 会引起顶板冒落及片帮等事故，覆岩活动过程中产生的裂隙带会成为岩层中水和 瓦斯的通道，覆岩的下沉会引起地表沉陷，导致农田和建筑物被毁坏等，这些问 题都严重威胁着人们的安全。 2 ．1 采动覆岩应力变化特征 矿山开采打破了覆岩中原岩应力的平衡，因此覆岩中的应力重新分布，覆岩 发生移动和变形。煤层的开采导致直接顶的原岩应力被释放，直接顶发生自然垮 落，直接顶的垮落使得直接顶上方岩层的原岩应力被释放，直至一定高度内的岩 层只产生裂隙而不发生垮落。随着时间的推移，覆岩继续发生下沉，产生裂隙的 岩层需要不断承载覆岩的载荷，裂隙被逐渐压实，应力也逐渐恢复。在煤壁的边 缘附近会出现应力集中，称为应力增高区；在采空区边缘附近会出现应力释放， 称为应力降低区；在采空区中部会出现应力恢复，称为应力恢复区。 覆岩应力重新分布的影响因素是很复杂的，其中地质条件、开采工艺、开采 速度、岩体强度等均对其有很大影响。随着工作面推进，覆岩应力不断重新分布， 这是一个动态的过程。覆岩在不断垮落的过程中，会产生许多裂隙，这些裂隙也 会被逐渐压缩，这对赋存在岩体中的水和瓦斯的活动有着重要影响。 国内外学者经过大量实验研究和现场观测后，对煤层开采后覆岩中支承应力 的重新分布基本达成共识，如图2 ．1 所示。图2 ．1 中X 轴方向垂直于工作面推进方 向，即Y 轴方向，Z 轴为竖直方向。由图2 ．1 可知，煤层开采后，在采空区侧面会 出现侧向支承压力，工作面前方会出现超前支承压力，而在采空区的拐角处出呈 现侧向支承压力和超前支承压力的重叠，支承压力的叠加导致应力集中。 5 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 图2 ．1 支承压力重新分布 F i g ．2 1A b u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 覆岩在Y 轴方向的应力剖面如图2 ．2 所示，其中P 为原岩应力值，a 区域代表 的是原岩应力区，此区域未受到采动影响，应力值为P ；b 区域代表的是应力升高 区，此区域受超前支承压力影响，区域内应力值高于P ；C 区域代表的是应力降低 区，此区域经过采动影响，应力已经释放，区域内应力低于P ，但随着覆岩的下沉 逐渐恢复，并在一定距离后恢复至原岩应力。C 区域中靠近煤壁的覆岩应力得到充 分释放，裂隙发育很充分。由于应力恢复程度很低，岩层压实性很差，导致此区 域内渗透性很好，是瓦斯和水良好的通道。而此区域围绕采空区分布，形成“O 形圈”。 现场监测超前支承压力的方法有很多，比如应力传感器、位移传感器、地震 探测器等。煤层超前支承压力的影响范围一般是距工作面4 0 - 6 0 m ，峰值出现的位 置一般在工作面前方相当于2 ～3 ．5 倍采高距离处，应力集中可达2 ．5 - 3 倍的原岩应 力。在经过大量现场测试，众多学者一致认为埋深小于3 5 0 m 的岩层，支承压力的 峰值及影响范围受其他影响因素较大，很难找出规律；而埋深大于3 5 0 m 的岩层， 支承应力的峰值随埋深增大而增大，但不是呈线性关系，支承压力的影响范围也 随埋深增大呈增大趋势[ 7 - 1 2 】。 Y 轴剖 P 图2 - 2 工作面前后应力分布图 F i g ．2 2S t r e s sd i s t r i b u t i o na r o u n dw o r k i n gf a c e 6 万方数据 第2 章厚煤层综采覆岩活动规律理论分析 覆岩在X 轴方向的应力剖面如图2 ．3 所示，煤壁附近出现的应力集中称为侧 向支承压力，此处支承压力在工作面推过一段距离后基本不受采动影响，也叫固 定支承压力。现场测试侧向支承压力的方法与超前支撑压力相同，其影响范围一 般是距煤壁1 5 ～3 0 m ，峰值出现的位置受其他影响因素较大，应力集中可达2 ～3 倍 的原岩应力。采空区内出现的应力称为采空区支承压力，随着工作面推进，覆岩 逐渐下沉，采空区支承压力逐渐向原岩应力恢复，恢复系数一般情况小于1 ，目前 没有很好的方法来测试采空区支承压力。 煳刮 P 图2 - 3 采场侧向支承压力分布图 F i g ．2 3S t o p el a t e r a la b u t m e n tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 2 ．2 采动覆岩位移变化特征 受采动的影响，越靠近地表覆岩的破坏程度越小。在开采方向上，覆岩必然 经历煤壁支承、采动影响、影响稳定三个阶段。因此，在纵向上，按照破坏程度 将覆岩划分为三带，即垮落带、裂隙带和弯曲带；在横向上，按照覆岩经历的阶 段将覆岩划分为三区，即煤壁支承影响区、离层区、重新压实区。 垮落带中的岩体是不规则排列的，具有一定的碎胀性，其密实性很差。岩体 破坏时，裂隙角度较大，纵横裂隙交叉相通，形状大小不一。采空区的空问高度 与冒落岩块的侧向宽度的比值，对采空区覆岩的碎胀系数有着极其重要的影响。 在一定范围为内，比值越大，则碎涨系数越大。垮落带的高度一般是采高M 的3 - 6 倍盼1 4 】。经过大量现场和实验室研究，得出了垮落带高度的计算公式，如表2 - 1 所 示【15 1 。 裂隙带位于垮落带上方，裂隙带中的岩体排列比较规则，碎胀系数较小，密 实性相对垮落带较好。岩体破坏时，裂隙主要在纵向上发育，横向上较少。由于 岩层间存在原生弱面，且岩层的强度、厚度不同，导致不同岩层下沉速度不同， 会发生离层现象。厚度较小的软弱岩层易形成纵向裂隙，裂隙周围的岩体较破碎， 但整体密实性较好；厚度较大的坚硬岩层通常先产生弯曲下沉，当弯矩达到岩体 强度极限时，形成纵向断裂，裂隙宽度较大，排列整齐，此时的岩层透水性和透 7 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 气性较好，不利于工作面安全回采。我国众多学者研究总结出了导水裂隙带 裂 隙带与垮落带之和 的计算公式，如表2 ．2 所示。 表2 1 垮落带高度的计算公式 T a b ．2 - 1T h ef o r m u l ao fc a v i n gz o n eh e i g h t 表2 ．2 导水裂隙带高度的计算公式 T a b ．2 2T h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ef r a c t u r eZ o F I eh e i g h to f 覆岩岩性 计算公式一 计算公式二 备注 坚硬岩层 中硬岩层 软弱岩层 办厂西蒜 8 9 1 0 0 VM 向，2 而赢 5 石 1 0 0 yM 乃2 万蒜“∞ h ， 3 0 、厨 1 0 力， 2 0 x ／- ∑M - - 1 0 h s I O x ／- ∑M 一 5 1 0 0 V M 极软弱岩层 ％ 5 ．0 ∑鱼M L 8 ．0 3 o 一一 公式适用 于累计采 高不大于 1 5 m ，式中 ∑M 为累 计采高， 为误差项。 弯曲带位于裂隙带上方，弯曲带中的岩层下沉量较小，基本不出现离层现象， 与导水裂隙带不相通，具有良好的连续性和整体性，基本上能保持原有的结构和 8 万方数据 第2 章厚煤层综采覆岩活动规律理论分析 特性。即使出现了较小的裂隙，也会随着时间的发展很快闭合。 2 ．3 采动覆岩应力一位移特征 采动影响下，垮落岩体的垮落特征对覆岩的破坏过程和形态有着决定性影响。 我国学者对垮落岩体的特征进行了大量科学研究，得出了一些不同的结论。 缪协兴等学者[ 1 6 ] 对侧线条件下松散岩石的特性进行了研究，并指出其应力．应 变关系满足 万 a b l 吣 2 ．1 郭广礼等学者[ 1 7 】对岩石的碎胀系数进行了实验室研究，得出了它与岩石破碎 的强度和块度无关，它与轴向压力满足以下关系 B a l n o - b 2 ．2 马占国等学者[ 1 8 】研究了饱和情况下破碎岩石的特性，并给出其应力应变关系 仃 a e 蛄 2 - 3 张振南等学者[ 1 9 , 2 0 ] t L 为压力在岩块抗压强度的0 ．5 倍以下时，松散岩块的破碎 率较高，压力在0 ．6 倍以上时，破碎率较低。同时，给出了岩块强度、压缩模量和 孔隙率三者之间的关系 E a e x p b , u c r 6 ∑乃∥7 2 ．4 ，- O 张俊英等学者[ 2 1 ] 给出了破碎岩石的应力一应变关系，应力．割线模量关系，破碎 岩石的应变一时间关系 s a l n o - b 2 ．5 Es a C T b 占 a I n f b 2 ．6 2 ．7 以上式中，口一一轴向应力；a