煤层开采引起下位岩层移动规律的研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 煤层开采引起下位岩层移动规律的研究 姓名朱立凯 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师唐春安 20051201 东北大学硕士学位论文 摘要 煤层开采引起下位岩层移动规律的研究 摘要 煤矿中的灾害问题，如工作面突然来压，顶板大范围冒落、突水问题，瓦斯突 出等都是由煤层开采引起的岩层移动特别是下位岩层移动造成的，因而对煤层开采 中的岩层移动问题进行研究具有非常重要的意义，多年来采矿工作者针对下部岩层 移动做了大量的工作，也取得了很大的成就，但是由于岩体介质的复杂性，开采条 件的多样性，以及开采引起岩层运移特征的不可视性、不可触性，导致了人们对岩 体破裂及岩层移动的过程规律性及其运动的直观性，仍缺乏从力学高度上和表示形 式上的完整形象的直观认识。 近年来数值试验方法取得了飞速发展，对煤层开采引起的岩层移动问题解决带 来了新的希望，数值计算在煤层开采中也所应用，但是对于煤层开采引起的下位岩 层移动的规律性再现的研究及其再现的可靠程度，目前国内少有研究，为此，本文 作者进行了尝试研究，做了以下三方面工作 1 本文从理论上阐述了下位岩层移动的“三带”基本理论及计算公式。 2 以山东龙口北皂煤矿H 2 1 0 l 首采工作面开采为工程背景，分别对“三带” 的高度进行理论计算和进行实际常用经验公式的计算，对垮落带、裂隙带的运移发 展规律进行了描述，并对其运移中的垮落步距和裂断步距进行了计算分析；对开采 引起的压力拱高及其发展进行计算和描述，对工作面推进引起的岩层移动导致煤壁 上支撑应力的变化规律进行了描述分析。 3 为了研究岩层移动规律以及由此导致的煤壁上支撑应力变化规律用数值 方法重现的可能性及可靠性，本文对该工作面推进过程进行了F L A C 和R F P A 软件的 数值试验分析，对试验的结果和理论计算的结果进行综合对比分析，并以F L A C 3 0 的 塑性破坏区范围的结果和理论计算的结果共同为工作面位置的决策做数据支持。 从上述的工作中，本文对理论计算和经验公式计算的结果以及不同数值软件试 验的结果进行对比分析研究，从而获得了三带理论与实际常用公式问的一致性关系 和一些实用结论，以工程实例验证数值试验的可行性，可靠性及不足。 关键词岩层移动数值计算三带理论 东北大学硕士学位论文 A B S T R A C T S t u d yo nt h eL a w o fL o wP o s i t i o nS t r a t a M o v e m e n tC a u s e d b yC o a l M i n i n g A b s t r a c t T h ed i s a s t e r si nc o a lm i n e ss u c ha st h ew o r k i n gf a c es u d d e n l yi sp u s h e dd o w n ，t h e b r o k e nr o o ff a l l si ng r e a ts c o p e ，t h ew a t e ra n dg a se m i t ss u d d e n l ya n ds oo n ，a l lt h e s ea r e c a u s e db yt h em o v e m e n to fs t r a t ae s p e c i a lt h el o w e rp o s i t i o nr o c kb e a m s ． S t u d y i n go nt h e o v e r b u r d e ns t r a t am o m e n ti se x t r e m e l ys i g n i f i c a n c ef o rs a f ew o r k i n g ，F o rm a n yy e a r sa v a s ta m o u n to fw o r kh a v eb e e n d o n eb yt h es c i e n t i s t sa n de x p e r t sw h oe n g a g ei nr e s e a r c h o fm i n i n g ，a n das e r i e so f a c h i e v e m e n t sh a sb e e ng a i n e d ，h o w e v e rd u et ot h ec o m p l e x i t yo f r o c km a s so rt h em a n yw a y so f Ⅱl i I l i n ga n dt h eu n s e e na n du n t o u c h e dm o v e m e n to ft h e r o c k 。t h er e c o g n i t i o nf o rt h e p r o c e s so f t h es t r a t am o v e m e n ta n dt h el a wo f t h eb r o k e no f r o c ki s1 a c k e do fi n t u i t i o n i s ma n dt h em e c h a n i c a lg l o b o s i t y ． R e c e n t l yt h en u m e r i c a le x p e r i m e n tf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fs t r a t am o v e m e n tw h i c h c a u s e db ym i n i n gm a yb e c o m ep o s s i b l ew i Ⅱlt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m t a t e t e c h n o l o g y ．T os o m ed e g r e et h en u m e r i c a le x e r t i o nw i t hc o m p u t e ri sa p p l i e d ，h o w e v e rt h e d o m e s t i cs t u d y i n go nt h er e p r e s e n t a t i o no ft h el a wm a dt h ep r o c e s so fo v e r b u r d e ns t r a t a m o v e m e n ti nc o m p u t ew a y , a n dt h ec r e d i b i l i t yo fn u m e r i c a le x p e r i m e n tw i t hc o m p u t e ri s s c a r c i t y , s ot h ea u t h o rh a v ee x p l o r et h em e t h o d ，a n dt h em a i ni o bc a nb ed i v i d e di n t of o u r p a r t s T h eb a s e “t h r e ez o n e ”t h e o r yw h i c hi sf i tf o rs o l v i n gp r o b l e mo ft h el o w e rp o s i t i o n r o c km o v e m e n ti si l l u s t r a t e di n t h i sp a p e r , t h ea d v a n c ep r o c e s so ft h eH 2 1 0 1p r i m e w o r k i n g f a c ei st a k e na sc a l c u l a t i n ge x a m p l e ，m a dt h eh e i g h to f “t h r e ez o n e ”i sc a l c u l a t e d ， t h ed e v e l o p m e n tl a wo f b r o k e nz o n ea n dt h ec r a n n yz o n ei sd e s c r i b e de i t h e r ． f 1 1T h eb a s e “t h r e ez o n e ”t h e o r yw h i c hi sf i tf o rs o l v i n gp r o b l e mo ft h el o w e rp o s i t i o n r o c km o v e m e n ti si l l u s t r a t e di nt h i sP a D e r ． 2 I nt h i sp a p e r , t h ea d v a n c ep r o c e s so f t h eH 2 1 0 1w o r k i n g f a c et h a ti st h ep r i m ef a c e f o rp r o d u c ec o a li nB e i Z a om i n ei st a k e na sc a l c u l a t i n ge x a m p l e ．T h eh e i g h to f “t 1 1 r e e z o n e ”i sc a l c u l a t e d ．t l l ed e v e l o p m e n tl a wo fb r o k e nz o n ea n dt h ec r a n n yz o n ei sd e s c r i b e d e i t h e r - t h ec o l l a p s es p a c ea n d 血eb r o k e ns p a c ew h i c he f f e c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h r e e z o n e sa r ec a l c u l a t e d ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h eh e i g h to fs t r e s sa r cw h i c hi sc a u s e db ys t r a t a m o v e m e n ti sc a l c u l a t e da n dd e s c r i b e d ，t h ec h a n g eo fs u p p o r ts t r e s sa c t i n go nt h ec o a l b e f o r ew o r k i n gf a c ei si l l u s t r a t e da n da n a l y z e di nt h i sP a p e L 3 F o rg e t t i n gt ok n o w t h ep o s s i b i l i t yo f r e p r e s e n t i n gt h el a wt h a td e f i n et h ee x t e n to f t h r e ez o n ed e v e l o p m e n ta n dt h ed e g r e eo fc r e d i b i l i t y , w i t hF L A Ca n dl 心队s o f t w a r e ，t l l e n u m e r i c a le x p e r i m e n to nt h ep r o c e s so f H 2 1 0 1p r i m ew o r k i n gf a c ei sa p p l i e da n dt h er e s u l t i sa n a l y z e di nt h i sp 印e r , t h ea d v a n t a g eo rt h ed e f e c to f n u m e r i c a le x p e r i m e n ti ss h o w n ，a n d t h er e a s o ni sd i s c u s s e de i t h e r ． W i t ht h et h r e em a i nw o r k s 。t h er e s u l to ft h et h e o r e t i c a lt a l c u l a t i o na n dt h en u m e r i c a l I I 东北大学硕士学位论文 A B S T R A C T e x p e r i m e n ti sa n a l y z e d ，t h er e l a t i o nt h a t t h et h e o r yo ft h r e ez o n e sa r ei d e n t i c a lt ot h e c u r r e n tp r a c t i c a lf o r m u l a t i o na n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ea t t a i n e d ，t h ep o s s i b i l i t ya n d c r e d i t a b i l i t yo rt h es h o r t a g eo f t h en u m e r i c a le x p e r i m e n to nt h em i n i n gp r o je c tw i t hF L A C a n dR F P As o f t w a r ei sd i s c u s s e d K e y w o r d sS t r a t am o v e m e n t ，n u m e r i c a le x p e r i m e n t ，“t h r e ez o n e ”． I I I 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名共。萄乙 日期加皈1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名 签字日期 导师签名 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 研究意义 第一章绪论 岩层移动与控制理论是采矿学科的一门重要分支，随着国民经济的快速发展，以 及人们对生产安全与环境保护要求越来越高，岩层移动规律及岩层控制技术也越来越 受到科研工作者的重视。 地下岩土工程特别是采矿工程，由于其具有规模大、浓度大、地质条件复杂，开 采方法多样等特点，不仅存在自身稳定性问题，而且存在对其周围岩石 土 体的影 响问题，其开采过程中引起附近岩层移动，不仅对开采本身有重大影响，而且对矿山 工程可能造成重要影响和危害，还可能对其他岩土工程及含水层和地面的工程和耕地 造成影响及危害，它早已成为采矿工程中的一个重大科学课题而引起人们的关注。 一般说来，随着地下资源的采出，围岩必将产生变形及破坏。采动岩体对工程及 环境的损害包括 1 危及井下工作面人员的安全及设备的正常运行。井下常见的灾害性事故有 顶板岩石垮落、煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、矿井突水等。 2 岩层移动裂隙造成岩体内水与瓦斯的运移。尤其是在干旱地区，地下开采 对含水岩层的破坏，加剧了矿区水土流失和土地沙化灾害。 3 开采沉陷毁坏地面建筑物、耕地及环境。煤矿开采对在面造成的损害有 房屋、桥梁、道路的开裂与倒塌，河流于涸，耕地荒芜等。 上述灾害，均由岩体受开挖损伤和破坏引起。无论顶底板突水或顶板跨落，还是 岩层移动和地表沉陷，其力学研究对象都是一个采动岩体。长期以来，采矿研究工作 者对此投入了很大的研究力量。由于受到各自关注问题方面的不同，以及研究手段和 方法的差异，形成了几个相对而言独立的学科研究领域和体系。例如，矿山压力学科 和开采沉陷学科。矿山压力学科偏重于对采动岩体行为的力学机理分析，而开采沉陷 学科偏重于对采动岩体行为的数理统计分析和描述。这些研究都取得了相当丰富的成 果，主要表现在对靠近工作面的下部岩体活动规律认识和对地表沉陷形态分布特征的 描述方面。但是，采场围岩活动和地表沉陷是由于煤炭采出后岩体破坏和损伤的结果， 掌握整个采动岩体的活动规律，特别是岩体内部岩层活动规律，才是解决采动岩体灾 害的关键。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 国内外研究现状及研究进展 1 ．2 ．1 岩层移动研究现状 早在1 5 世纪，关于允许开采深度的界定就已被除数I B N 时人写进了法律。1 8 世 纪下半叶，已能对移动范围进行估计，这就是所谓的“法线理论”和“自然斜面理论” [ 1 】。，这些理论为以后有关岩层移动的深入研究判定了基础。进入2 0 世纪后，门者乐 观测到地表深陷中的水平移动和变形，使覆岩活动的理论研究更为丰富，除地表下沉 以外，扩充至水平移动计算以及急倾斜煤层条件下的地表移动动态过程分析。 岩层移动作为采矿学科的基础之一，参与研究的学者与研究成果众多。多年来， 采矿工作者与矿山测量工作者分别从不同的角度以不同的方法对岩层移动及由此引 起地表沉陷规律进行了研究。采矿工作者从回采E 作面顶板支护与管理出发，基本掌 握了对回采工作面生产与支护影响较大的下部岩层的移动规律。针对下部岩层移动特 征，就采场矿压显现的解释与控制，提出来了多种假说与理论，其中具有代表性的有 压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙假说、铰接岩块假说、砌体梁假说、传递岩梁假 说等【1 。4 1 。其中宋振祺院士为首的科研群体建立并完善了实用矿山压力理论体系，其 最大特色是”实用性”。它针对煤矿采场不断推进的工程特点，创造性地建立了”以岩层 运动为中心”，包括岩层运动和矿山压力的预测预报、控制设计 决策 、和控制效果 判断为一体的理论体系。并在深入的研究和揭示矿山压力分布、显现与岩层运动之间 关系的基础上，建立了依靠现场容易得到的矿山压力显现，预测预报岩层运动和矿山 压力分布 包括压力分布范围、压力高峰位置等 、监控和判断控制效果的现场研究 方法一“井F 岩层运动观测研究方法”，实现了理论和方法的统～。在矿山采掘中， 特别是在煤矿开采中，宋振骐院士的实用矿山理论具有极大的指导意义。 1 ．2 ．2 岩层移动的研究方法 岩层移动研究方法大体上有三类实测研究方法，主要包括地表沉陷观测，从地 面往岩层打岩移观测钻孔或在煤层顶板布置岩移观测巷，尽管研究取得了很多成果， 但该方法成本大、周期性长，且不能掌握岩层移动的全貌卜”。 实验室模拟研究方法，目前多为平面应力模型，模型的侧向变形及收缩变形误差 难以估计排除。 理论研究方法，是岩层移动研究最便捷的方法。理论研究方法的实质在于根据研 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．2 国内外研究现状及研究进展 1 ．21 岩层移动研究现状 早在15 世纪，关于允许开采深度的界定就已被除数比利时人写进了法律。1 8 世 纪下半叶，己能对移动范【封进行估计，这就是所谓的“法线理论”和“自然斜面理论” “J 。这些理论为咀后有关岩层移动的深入研究判定了基础。进入2 0 世纪后，门者乐 观测到地表深陷中的水平移动和变形，使覆岩活动的理论研究更为丰富，除地表下沉 以外，扩充至水平移动计算以及急倾斜煤层条件下的地表移动动态过程分析。 岩层移动作为采矿学科的基础之一，参与研究的学者与研究成果众多。多年来， 采矿工作者与矿山测量工作者分别从不同的角度姒不同的方法对岩层移动及由此引 起地表沉陷规律进行了研究。采矿工作者从回采工作面项板支护与管理出发，基本掌 握了对回采工作面生产与支护影响较大的下部岩层的移动规律。针对r 郁岩层移动特 征，就采场矿压显现的解释与控制，提出来了多种假说与理论，其中具有代表性的有 压力拱很说、悬臂梁假税、预成裂隙假说、铰接岩块假说、砌体梁假说、传递岩粱假 随等【l “。其中宋振祺院士为首的科研群体建立并完善了实用矿山压力理论体系，其 最大特色是”实用性”。它针对煤矿采场不断推进的工程特点，创造性地建立了“以岩层 运动为中心”，包括岩层运动和矿山压力的预测预报、控制设计 决策 、和控制效果 判断为一体的理论体系。并在深入的研究和揭示矿山压力分布、显现与岩层运动之间 关系的基础上，建立了依靠现场容易得剑的矿山压力显现，预测预报岩层运动和矿山 压力分布 包括压力分稚范围、压力高峰位置等 、监控和判断控制效果的现场研究 方法“井下岩层运动观测研究方法”，实现了理论和方法的统一。在矿l l 【采掘中， 特别是存煤矿开采中，宋振骐院士的实用矿山理论具有极人的指导意义。 1 ．2 ．2 岩层移动的研究方法 岩层移动研究方法大体上有三类实测研究方法，主要包括地表沉陷观测，从地 面往岩层打岩移观测钻孔或在煤层顶板布置岩移观测巷，尽管研究取得了很多成果， 但该方法成本大、周期性长，且不能掌握岩层移动的全貌卜”。 实验室模拟研究方法，目前多为平面应力模型，模型的侧向变形及收缩变形误差 难以估计排除。 理论研究方法，是岩层移动研究最便捷的方法。理论研究方法的实质在于根据研 理论研究方法，是岩层移动研究最便捷的方法。理论研究方法的实质在于根据研 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 究问题建立其数学力学模型，然后求解此模型得到问题的解和认识。理论研究方法以 何种介质来处理决定了采用的数学力学方法及相应的结果。 其中将上覆岩层视作连续介质，用连续介质力学方法来研究岩层移动规律，形成 了以阿乐申等为代表的连续介质学派所用力学方法从弹性力学到塑性力学，从线性力 学到非线性力学。研究方式通常采用解析法和有限元模拟，来获得岩层移动的位移场 与应力场分布，常采用的数值模拟软件有A D I N A 、S A P 等。 在岩层和地表移动变形计算中，经常遇到～些复杂的地质采矿条件，如岩体存在 断裂构造、各岩层的岩性很不均匀、地形起伏罗大、井下采空区很不规则等，此时常 用的解析方法求解非常困难。因此，在满足工程要求的情况，采用数值模拟与物理模 拟求解是十分必要的。常用的数值模拟方法有有限单元法、边界单元法和离散单元法， 物理模拟法主要为相似材料模型试验法。目前，岩层和地表移动变形计算正朝着自动 化、智能化、复杂化和直观化方向发展。 与解析理论相比，数值计算有如下一些基本特点 1 通过离散求解域，将复杂的宏观层次模型离散成可求解的若干简单的细观 层次模型； 2 利用计算机计算速度快和精度高的特点，可以进行问题的快速求解； 3 可以设计更复杂的计算模型，可考虑多种工况情况； 4 可以得到全场应力、应变信息，更适合于工程问题的分析。 日本学者石岛洋二等人曾运用有限元方法计算煤层开采引起的地表移动问题。宋 扬等人曾利用有限元方法研究了支承压力的显现过程【3 】。王泳嘉、张玉卓、麻风海、 古全忠、林崇德等都得用离散元法或边界元法研究了岩层的移动规律及其冒落、离层 等问题。谢和平等将F L A C 数值汁算方法应用于煤矿开采深陷预测的分析之中。现在 岩层和地表移动变形计算正朝着自动化、智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动 化方面，可以根据已有观测资料反求参数，计算不同采矿方案下的地表移动变形；在 智能化方面，根据计算理论和专家经验设计的专家系统可以辅助决策；在复杂化方面 不仅能对倾斜煤层、岩层内部进行计算，同时还能给出应力分析的结果；在直观化方 面，计算结果能直接以眭线图甚至三维图的方式给出，十分直观，一目了然。 1 ．3 岩层移动中存在的主要问题 尽管采动岩体破裂与岩层移动过程及沉陷理论的研究已取得了重大进展，但人们 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 对岩体破裂及岩层移动的过程规律性及其运动的直观性，仍缺乏从力学高度上和表示 形式上的完整形象的直观认识。 就基岩段岩层而言，岩层介质具有两个显著特性其一是它的层状特性，在移动 过程中，易出现层与层间的离层现象；其二是岩层介质具有破坏断裂前的连续介质特 性与破坏断裂后的非连续介质特性的双重性。对于厚硬岩层，其破断前后的连续与非 连续双重要性更为明显。岩层移动贯穿于岩层变形破断直至破断后运动的全过程，要 弄清岩层移动过程不仅要研究岩层破断前的变形与断裂特征，更要研究其破断后的运 动特性，这是岩层移动学科研究有别于其他主要考察岩体破断前运动特征的岩土工程 学科的显著特征。岩层移动方法只有很好地适应岩层的上述特点，才能得出符合实际 的结论。 近年来，随着计算机技术的发展，数值方法在岩土工程中的应用已越来越普及。 将数值计算方法引入分析计算是个岩石力学发展的一个趋势。但是尽管各类数值计算 方法已经为采动岩体破裂与岩层移动过程的研究中得到部分应用，但直到目前为止， 还没有一种能够有效地解决采动岩体破裂与岩层移动过程数值模拟问题的方法。岩层 在采动影响下的变形、破裂隙直至破断过程的研究，一直是岩体破裂与岩层移动过程 数值计算方法发展的难点之一p J 。 目前可用用于岩层内部移动与破裂过程分析的理论和方法大多建立在连续介质 力学的基础之上的，很难真正用于岩层移动及破裂和离层的研究。连续介质模型方法 难以解释岩移过程中的离层，且只能研究到岩层断破断为止，对岩层破断后的力学行 为研究不了。因此，该方法获得的结果仅可以在某些方面作为定性的参考与解释，与 岩层移动实际情况相差甚远，从应用数值试验方法研究，岩层移动情况来看，尽管有 所应用，但都是只对某个局部，对某个特定问题的研究，而对岩层移动规律的研究， 目前国内很少有研究。 1 ．4 研究思路 基于现有研究的不足，本文采用R F P A 方法进行研究，R F P A 方法，即岩石破裂 过程分析系统方法，该系统充分考虑到了岩石的非均匀性，而且具有逐渐破坏模型 P r o g r e s s i v eF a i l u r e ／F r a c t u r e ／D a m a g eM o d e l ，能够进行破坏后的研究。为了充分深 入研究，本文首先以工程实例为背景进行理论分析及计算，之后用通用国际流行的数 值分析方法F A L C 有限差分法和R F P A 方法进行研究分析，用数值试验计算的结果和 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 理论及实践经验公式的结果进行综合对比分析研究，力图找到对岩层移动规律和煤层 上支撑应力变化规律再现的可靠的数值试验方法及试验软件，对该数值试验方法在工 程中的应用进行研究。 1 ．5 主要研究内容 1 以“三带”理论为基本理论并结合实际经验公式，对北皂煤矿H 1 2 0 1 工作 面推进过程中引起的岩层垮落、裂隙带、弯曲带进行研究理论分析计算，对工作面推 进过程中引起的煤壁上应力变化规律进行理论分析；以计算的结果来确定工作面推进 可能引起顶板透水的潜在危险区。 2 结合现有数值软件计算的强大功能及独到的特点，分别用F L A C ”软件和 R F P A 工具，对北皂煤矿H 2 1 0 1 工作面推进过程深入进行数值研究，并用数值试验的 结果和理论计算的结果，进行对比综合分析，从而确定数值试验不同软件对岩层移动 规律再现的可靠程度，并以其计算的裂隙带范围和理论计算的范围，来确定工作面推 进可能引起顶板透水的潜在危险区，探讨数值试验对煤壁支撑应力变化规律的再现的 可能性及其原因。 东北大学硕士学位论文 第二章煤层开采过程中的c c 三带”理论 第二章煤层开采过程中的“三带”理论 2 ．1 “三带”划分简述 采场上覆岩层运动过程中，根据各岩层运动性质的不同可以划分为三部分 “三 带” 垮落带、裂隙带和缓沉带[ 9 - 1 0 】。如图2 ．1 示。 图2 ．1 三带示意 垮落带也称冒落带，该部分岩层在老塘已经垮落，在采场由支架暂时支撑，在推 进方向上不能始终保持传递水平力的联系。裂隙带内岩层在推进方向上裂隙较发育， 各岩层的裂隙浓度已扩展到 或接近扩展到 全部厚度。在采场推进过程中能够以“传 递岩梁”的形式周期性断裂运动，在推进方向上能始终保持传递水平力的联系。该部 分岩层也是内应力场的主要压力来源。缓沉带的岩层在采场推进很长一段距离后才会 开始运动，其运动缓慢，运动结束后在推进方向上形成的裂隙，无论在数量上还是在 深度上都比裂隙带少和小。缓沉带运动的最终结果是在地表形成沉降盆地。 2 ．2 垮落岩层高度的确定及其运动步距规律 2 ．2 ．1 力学模型 垮落岩层范围 M z 指老塘已垮落的“直接顶”，如图2 ．2 中m z 所示。在工作 面推进过程中，顶板由于空顶的存在，在重力作用下，会随着工作面的推移发生冒落 东北大学硕士学位论文第二章煤层开采过程中的“三带”理论 一般情况下，接近煤壁的一层或几层由于比较接破碎或岩性相比较为弱，通常此层或 几层为直接顶，其厚度也即直接顶的厚度，由图2 ．2 可知，直接顶为图上绿色所标识 岩层。其中，M 。M B ，分别为第直接顶上覆的第一、第二老顶，通常情况下，这两层或 几层对工作面来压起到重要作用。 2 ．2 ．2 数学模型 图2 ．2 顶板结构力学模型 T a b l e2 ．2T h es t r u c t u r em o d e lo ft o pr o c kb e a m 由图2 ．2 冒落后直接顶上岩梁的断裂后几何关系，根据碎胀性，可以得出，直接顶 厚度的数学表达式。 直接顶厚度 M ∑M ， 器 2 Ⅲ f 1 式2 1 中／2 为老塘已冒落的岩层数； 膨为已冒落岩层的厚度， h 为采高， 局为已冒岩层碎胀系数， S 为老顶下位岩梁触矸处的沉降值 恒小于该岩梁的老顶沉降值￡ 。 由此公式可以知道，直接顶厚度与采高和碎胀系数有关，一般情况下，采高越大， 则直接顶也越厚，碎胀系数越大，直接顶则越小。但是实际中与煤层上覆岩层的厚度 和性质有关，如果岩层质地均匀坚硬且厚度很大时，甚至没有直接顶。 东北大学硕士学位论文 第二章煤层开采过程中的“三带”理论 2 ．2 ．3 直接顶厚度确定方法 常用的直接顶厚度确定方法有2 种，一是根据实测下位岩梁第一次来压步距￡ 和相应的采场项板下沉量A h 。，用表达式2 进行推断的“实测推断法”，二是直接根 据采场上覆岩层钻孔柱状图，按各岩层冒落条件判断的“钻孔柱状推断法”。 1 “实测推断法”的推断程序是 第一步确定实测老顶下位岩梁第一次来压步距e 及相应控顶距厶下的采场顶 板下沉量A h 。； 第二步按式 2 2 计算下位岩梁触矸处沉降值S ； S 』2 - 争A h o 2 2 第三步用表达式1 ．1 推断直接顶厚度。 M 器 式中碎胀系数肠值表示直接顶各岩层岩性强度确定。岩性强度越高，局值愈大， 一般可取肠 1 ．2 5 ～1 ．3 5 1 4 1 。 2 “钻孑L 柱状推断法”按直接顶各岩层厚度小于其下部允许运动的自由空间 高度的原理，由下而上逐层判断，即 M z ∑M 2 3 其中 帆≤h - ∑M 巧一】 ，则岩层塌落 坂 。 一∑M 巧- I ，则岩层进入老顶范围。 2 、2 ．4 垮落岩层运动规律 一般情况下，当工作面推进到一定距离时，顶板开始发生冒落，之后随着工作面推进， 顶板发生周期性的垮落。 由工作面长度 ‰ 所决定的进入裂断运动的岩层的全部厚度 珏 一般可按工 作面长度的一半估算。即 蹦- - - - L 舵 2 4 东北大学硕士学位论文 第二章煤层开采过程中的“三带”理论 第一次垮落步距按直接顶厚度最大的岩层第一次垮落计算，式 2 5 铲严 防s ， 周期垮落步距 】 吱2 i ％ 26 其中C 。为第一次垮落步距，C 为周期垮落步，m 直接顶的厚度，[ o ] 为岩层的 抗拉强度，，为岩层的重度。 2 ．3 裂隙带高度的确定和运动步距及运动规律 2 ．3 ．1 裂隙带理论经验公式 理论研究和相似材料模拟实验的结果表明，在采场推进过程中，采场上覆岩层中 会形成～个压力拱[ 1 5 ] 。压力拱拱高 H g 由式 2 ～7 计算。 1 H g m z m 埘 三 2 ～7 上 式中M ，一垮落带高度，m ； M w 一裂隙高度，m ； L 一工作面长度，f f l 。 正是由于该压力拱的存在，使得工作面支架上所受的压力远远小于采场上覆岩层 的总重量，该压力拱的拱迹线为裂隙带中各传递岩梁的端部断裂线和裂隙带与缓沉带 的分界线。垮落带和裂隙带中已发生明显运动的岩层位于压力拱内，而垮落带和裂隙 带中尚未发生明显运动的部分岩层及缓沉带岩层位于压力拱外。 理论认为裂隙带的高度是随着采场的推进而逐渐扩展的。当工作面推进距离大约 为工作面长度时，裂隙带高度发展到最大，压力拱扩展到最高，此时，拱高约为工作 面长度的1 ／2 。因此，裂隙带高度为 1 m 肼 三一／7 1 z 2 8 二 式中M ，一垮落带高度，m ； 羔垡查兰堡主兰堡塑 一 笠三主鉴墨堑墨塾垦主塑三堂墨丝 L 一工作面长度，m 肘。一裂隙高度，Ⅲ； 实践证明，裂隙带中对采场矿压显现有明显影响的1 2 个下位岩梁厚度，也即 老顶厚度大约为采高的p 6 倍。 2 ．3 ．2 裂隙带中覆岩运动过程 裂隙带中覆岩运动的发展过程分为第一次运动阶段和正常运动阶段。 1 第一次运动阶段 自工作面从开切眼开始推进，到裂隙带中最上部一个传 递岩第。一次裂断运动完成止，为裂隙带覆岩的第一次运动阶段，如图2 ．3 所示。 o ■_ _ _ 0 i i i i i i 量曩oo _ o ■o 曩o o o 曩oo ．■ 0 o I jj 二．o ●j 0 ≯‘■I 蠢 i t 童．曩曩≯0 j 簟| 。 j o o ◆．亍’亍o i - o ．- 仁壹i 亏．、可萱霉霜．‘j 一亍一曩一，i - 一～一一一一，￡一井，习■ r _ 二r 1 _ 鬲，。 弋F - _ 霸击；斋菥；；j | 享蔫薹瑟瑟，；纛i 纛纛嚣葺蓊蒸三圣蚕 图2 ，3 裂隙带覆岩第一次运动阶段 F i g ．2 ．3T h ef i r s ts t a g eo fr o c kb e a T 【l sf o rc r a n n yz o n ed e v e l o p i n g 在该运动阶段，随着工作面的不断推进，覆岩运动范围逐渐扩大。采场上方的压 力拱由小到大逐渐向上方岩层扩展。根据相似材料模拟实验的结果，当工作面推进距 离大约为工作面长度时，压力拱向上扩展到最高处，高度约为工作面长度的l ／2 。在 此过程中，裂隙带中下位1 ～2 个传递岩梁 老顶 已完成了初次运动和数个周期运动。 在该运动阶段工作面推进的距离称为裂隙带覆岩第一次运动步距，一般与工作面长度 基