软底中厚煤层普采工作面矿压显现规律研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 软底中厚煤层普采工作面矿压显现规律研究 姓名王飞 申请学位级别硕士 专业 指导教师张东峰 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 软底中厚煤层普采工作面矿压显现规律研究 摘 要 软底采场支护一直是困扰煤矿安全生产的重大问题之一。其中工作面 遇有软底时支护是软底采场支护方面的难题，由于底软给工作面支柱带来 了承载力小，支柱钻底，尤其是回撤支柱十分困难，因而造成了工作面循 环进度慢，从而造成了工作面顶板抻开、破碎严重，即影响了煤矿安全生 产同时也影响了煤矿产量。 在系统总结前人研究成果的基础上，本论文通过现场实测、理论分析 及数值模拟等研究，以采场矿山压力理论为基础，总结了正常底板条件下 采场矿压显现规律；着重分析了软弱底板中厚煤层工作面矿压显现规律与 特征；以嘉乐泉煤矿为例，对给定支架的性能、工作状况及适应性进行了 分析等。主要成果如下 1总结了正常底板条件下采场矿压显现规律。 2通过数值模拟，得出了特殊底板条件下采场矿压显现规律。 3通过现场实测总结了软底中厚煤层开采工作面矿压显现的基本特征 和规律，为探讨软底煤层开采覆岩结构形式及采场围岩控制提供可靠的现 实和理论基础。 4通过对支架载荷观测、机道顶板的冒顶情况观测、回采巷道超前支 承压力显现观测等，这些综合观测项目可以较为全面地掌握软底煤层普采 工作面的矿压显现规律，为地下开采的采场和巷道岩层控制积累实践经 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 验，提出工程决策依据。以嘉乐泉矿为例，在 8 号煤层 2804 工作面的地 质条件下，煤层倾角平缓，一般 012，煤层赋存稳定，厚度变化较小， 属于近水平缓倾斜煤层。在这种地质条件和设备条件下，整个项目研究从 开切眼开始经历了直接顶垮落、初次来压和三次的周期来压，2804 工作面 推进了将近 100m，ZH2500/22/30 型整体顶梁组合悬移支架在使用过程中 接顶效果良好，对顶板的起伏变化有较强的适应性，没有发生过立柱鼓肚、 爆缸和弯曲变形的破坏现象，顶梁也没有发现开焊与裂开损坏现象，说明 支架的材质选择、构件强度设计和制造工艺较好，可以适应嘉乐泉煤矿 8 号煤层 2804 工作面的地质条件要求。 总之，本文系统的研究了软底中厚煤层矿压显现规律以及软岩控制技 术，解决了软底中厚煤层条件下开采中存在的一些实际问题，为类似条件 下的煤矿开采提供有力的借鉴。对软底煤层开采技术在我国煤炭行业发展 具有重要的工程实际意义和理论意义。 关键词数值模拟，矿山规律，软底，回采巷道 太原理工大学硕士研究生学位论文 III SOFT BOTTOM IN THICK SEAM MINING FACE STRATA BEHAVIOR RESEARCH ABSTRACT The soft floor strata support is always one of important problems in coal mine production safty. The working face support is a difficult point in soft loor strata,Because of the prop load value little 、the prop dirlling floor in soft floor and especially the difficult of prop retracement，the working face loop slowly and the face roof extrude and broke seriously， this affects the coal mine safty production and output. Based on summaryed the research of predecessors，this dissertation using field measurement、 theories analysis、 and numerical simulation,summarized the laws of strata behavior in regular floor by rock pressure theories；analyzed importantly the laws of strata behacior in middle-thick coal；as Jia Lequan coal mine an example，this paper analyzed the property、working situation and suitability of gived support .The main results follow （1）Summarized the laws of strata behavior in regular floor. （2）Obtained the laws of strata behavior in special floor by numerical 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV simulation. （3）Summarized the laws and characteristics of strata behavior in the soft floor of working face by field measurement,offered actual and theory foundation for probeing overburden strata and surrounding rock control in the soft floor mining. （4）Grasped comprehensively the laws of strata behavior in ordinary mining of soft floor by measuring support loading、fulling of tunnels roof and front abutment pressure of roadway，accumulated practical experience for controlling underground mining and surrounding rock ， proposed some foundation for project . As Jia Lequan coal mine an example，in geological condition of 2804 workingface of number 8 seam,the dip of coal seam is slope slowly, it is general 0 12 ，the seam distributes steadily and its thickness change slowly,so the seam is inclined coal seam. In this geological and installational conditions，the study process experienced roof fulling, the first coming pressure and thress loop coming pressure，thed 2804 workingface advanced 100m，entirety asssembly bar suspension hydraulic timber effected well in attaching roof，and has good applixability for the change of roof，never occurred the problems such as prop expand、 cracking and curve， the canopy was not open welding and cracking，all this tell us that the material quality 、 component strength and manufacturing process can content the geological condition of 2804 workingface in 8 coal seam of Jia Lequan coal mine. Consideringly，the paper studied systemly the laws of strata behavior and 太原理工大学硕士研究生学位论文 V soft rock controlling technology，solved some problems in the soft floor mining of middle-thick seam， provided effective reference for similar mining conditions. The study has important project and theroy significance for the develop of our coal industry at the soft floor seam mining. KEY WORDS numerical simulation ,the laws of strata behavior, the soft floor , roadways tunnels 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 问题的提出 我国是一个产煤大国，煤炭是我国的主要能源，储量丰富。研究报告指出，到2030 年，我国煤炭能源消费比重仍将占到70％左右，国家对煤炭资源可持续发展的呼声也 越来越高，为了保证国民经济的持续健康发展，仍需要有计划的大规模的开采煤炭资 源。但我国煤炭开采的效率低、采出率低、安全事故经常发生。对于一些难采煤层这 种现象就更加严重了，难采煤层是指那些赋存不稳定、构造复杂或有特殊灾害威胁， 在当前的开采条件下，开采困难、安全生产条件不好的煤层。目前，难采煤层基本上 有两种类型一是在当前开采技术条件下，实现正常安全生产有一定难度的煤层，需 要一些特殊的、附加的技术安全措施方能顺利开采；二是由于地质构造条件复杂，赋 存条件差，难以实现机械化开采的煤层。软弱底板属于第二类的难采煤层，这类煤层 一般是地质构造比较复杂，赋存条件差。软弱底板是指底扳极限比压q5MPa的极软和 松软底板。随着工作面向前推进，软弱底板大部分含有膨胀性粘土矿物，如蒙脱石、 伊利石和高岭土，在受矿井水的影响下发生底鼓；而且煤壁片帮严重。这样对工作面 的支护造成极大困难，严重影响安全生产。 山西省古交嘉乐泉煤矿自83年建矿至今，在一个年产量仅45万吨的地方小煤矿的 基础上，历经20年的创业发展，设计生产能力由45万吨/年，经改扩建达到了90万吨/年， 现已成为一座年产原煤100多万吨，每年盈利过亿元，集煤炭产、运、销一条龙，多种 经营全面发展的国家大型企业。 20年来，国内外形势在发生着不断的变化，国际人权斗争日趋尖锐，对煤矿安全 生产提出了更高的要求。因此，嘉乐泉矿积极筹措资金，不断加大安全技术措施投入， 机械化程度不断提高，井下工作面支护材料，实现了由木支柱金属摩擦支柱单体 液压支柱和悬移支架的改变。虽然，工作面支护强度加大了，安全系数提高了，但由 于本矿没有对软底采场进行过系统的矿压观测，不了解软底采场矿压显现的基本规律， 只是借鉴其他煤矿的做法和本矿的生产经验，确定并一直延用现在的支护方式。现行 的支护参数是否合理、能否为煤矿创造最佳的经济效益和社会效益，只有通过回采工 作面矿压现场观测，才能掌握特殊条件下软底工作面老顶来压显现、步距和强度，掌 握矿压基本规律、综合分析矿压控制问题，才能分析回采空间支架与围岩相互作用关 系；才能为嘉矿合理地安排工序、合理地选择采煤参数、支护方式和顶板管理方法提 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 供科学依据。是保障嘉乐泉煤矿乃至整个软底煤矿快速持续发展的一个新课题。 1.2 国内外矿压理论及其控制技术的研究现状 1.2.1 国内外矿压理论发展及应用现状 矿压理论的发展[1-7] 19世纪后期到上世纪初，可以认为是矿压假说的萌芽阶段，这一时期开始利用比 较简单的力学原理解释实际中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说， 最具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此外，对 采场围岩变形机理和支架所受的岩石压力大小，也开始进行了一些初步的理论研究。 尽管当时提出的一些理论和假说本身尚存在许多不足之处，而且只能在局部的条件下 应用，但在矿压发展过程中起到过重要的历史作用。这一时期还提出了岩石坚固性系 数普氏系数为定量指标的岩石分类方法，并曾得到了广泛应用，至今仍然具有重要的 实际意义。 上世纪30年代开始，人们又将弹性力学和塑性力学引入地下工程的岩石力学分析 中，许多地下工程中的问题得到了解决，其中R.Fenner和H.Schmidt等人在采场围岩弹 塑性应力分布和围岩与支架的相互作用的理论是最为典型的代表之一。 到了60年代，刚性试验机的应用，揭示了岩石变形破坏的特性和弹塑性断裂破坏 理论。特别是奥地利工程师L.V.RabcewiCZ在总结前人经验的基础上，提出了一种新的 隧道设计施工方法，即新奥地利隧道施工方法New Austrian Tunneling ，简称 新奥法NATM，新奥法是目前地下工程的主要设计施工方法之一。新奥法的核心是利 用围岩的自承作用来支承隧道，使围岩本身也成为支护结构的一部分而与支护共同成 为支承环。在此期间，日本人山地宏和樱井春辅又提出了围岩支护的应变控制理论。 他们认为，巷道围岩的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随着支护结构的 增加而增大，因此，通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在许用应变范围 内。 到了70年代，M.D.Salamou等人又提出了能量支护理论。他们认为支护与围岩互相 作用，共同变形，在共同变形过程中围岩释放一部分能量，而支护则吸收一部分能量， 但总的能量没有变化，因而，主张利用支护结构来使其自动调解围岩释放的能量和支 护体吸收的能量，使其相互调解平衡作用。 在60年代，原西德就已经开始研究8001200m的深部开采问题，70年代开始研究 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 12001500m，80年代开始研究1600m的深部开采问题原西德将开采深度超过1200m称 为超深开采或大深度开采，并且建立起了集现场实测、模型实验和理论计算于一体的 “岩层控制系统”。前苏联紧随其后，己着手研究10001400m的深部开采问题。 1压力拱假说 矿山压力理论是随着人们的开采实践而不断发展建立起来的。19世纪后期到20世 纪初，是采场矿压假说的萌芽阶段。这一时期开始利用比较简单的力学原理解释实践 中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假说[8]。20世纪50年代，比较有影响 的是前苏联工程师F.许普鲁特提出的压力拱假说。他认为，采场在一个“前脚在煤壁、 后脚在采空区”的拱结构的保护之下。这种观点解释了两个重要的矿压现象一是支 架承受上覆岩层的范围是有限的；二是煤壁上和老塘岩石上将形成较大的支承压力， 其来源是控顶上方的岩层重量。由于拱假说没有解释采场周期来压等现象，现场也难 以找到定量描述拱结构的参数，所以拱假说只能停留在对一些矿压现象一般解释的水 平上，不能很好的应用于生产实践 2铰接岩块学说 前苏联学者T.H.库茨涅佐夫在实验室进行采场上覆岩层运动规律研究的基础上提 出了铰接岩块学说。认为工作面上覆岩层的破坏可分两带，即不规则垮落带和其上的 规则移动带。不规则垮落带分上下两部分，下部垮落时，岩块杂乱无章；上部垮落时， 则按原有方向较规则地排列。两者的高度是采厚、松散膨胀系数与垮落岩层厚度的函 数。规则移动带的岩块相互铰合形成一条多环节的铰链，规则地在采空区上面下沉。 假说认为工作面支架存在两种不同的工作状态。当规则移动带相当于老顶下部岩层变 形小而不发生折断时，不规则垮落带岩层相当于直接顶和老顶间就可能发生离层，支 架最多只承受直接顶折断岩层的全部重量，故称支架处于“给定载荷状态”。当直接 顶受老顶移动影响折断时，支架所受载荷和变形取决于规则移动带下部岩块的相互作 用，载荷和变形将随岩块的下沉量增加，直到岩块受已垮落岩石的支承达到平衡为止。 这种情况称为支架的“给定变形状态”。假说对支架和围岩的相互作用作了较详细的 分析，但它缺乏岩块与岩块之间力的分析。铰接岩块学说的重大贡献在于，它不仅解 释了拱假说所能解释的矿压现象，而且解释了采场周期来压现象，第一次提出了预计 直接顶厚度的公式，并从控制顶板的角度出发，揭示了支架荷载的来源和顶板下沉量 与顶板运动的关系。这一成果是以后矿压理论发展的重要基础。 此外，还有俄国学者MM普罗托吉亚阔诺夫提出的描述采场矿山压力的假说和理 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 论“自然平衡拱假说”、“悬臂梁假说”。比利时学者A.拉巴斯1947年提出的“预生 裂隙梁”假说等。 3“砌体梁”理论 我国学者在铰接岩块假说基础上进行研究，发展了该学说。认为对工作面地压显 现影响较大的是断裂带岩层。带中己破断的岩块如同砖石结构的砌体，形成的平衡结 构可称为“砌体梁”[9-13]。外形是梁，实质是拱。 煤层开采后上覆岩层将形成结构，此结构的形态与稳定性将直接影响到采场支架 参数和性能的选择，同时也将影响到开采后上覆岩体内节理裂隙及离层区的分布和地 表沉陷。因此，上覆岩层形成结构的特点及其形态是研究的重点。 上覆岩层结构形态主要的研究工作始于上世纪60年代初。70年代末，中国工程院 院士钱鸣高教授在铰接岩块学说和预成裂隙假说的基础上，借助于大屯煤电公司孔庄 矿开采后岩层内部移动观测资料，研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡 条件，提出了上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型。该理论认为采场上覆 岩层的岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩可视为坚硬岩层上的 载荷，此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。该研究的意义主要在于开采以后上 覆岩层结构形态的解决为采场给出了具体的上部边界条件，此结构的形态与平衡条件 为论证各项采场矿山压力控制参数奠定了基础。从该理论的假说条件可以看出，该理 论的结论更适用于存在坚硬岩层的采场。钱鸣高、缪协兴1995给出了关于砌体梁全结 构模型，并对全结构进行了力学分析，得出了砌体梁的形态和受力的理论解以及砌体 梁排列的拟合曲线。 4岩板理论 砌体梁结构的研究是限于采场中部沿走向的平面问题。随着采场矿山压力研究的 深入，尤其是老顶来压预报的发展，在坚硬顶板工作面，讨论了将老顶岩层视为四周 为各种条件下的“板”的破断规律、老顶在煤体上方的断裂位置以及断裂前后在煤与 岩体内所引起的力学变化。由此钱鸣高院士等1986提出了岩层断裂前后的弹性基础梁 模型，从理论上证明了“反弹”机理，并给出了算例钱鸣高院士、朱德仁博士1987 和钱鸣高、何富连1989提出了各种不同支承条件下的Wiknler弹性基础上的Kichhoff板 力学模型[14]，利用老顶岩层形成砌体梁结构前的连续介质力学模型分析了顶板断裂的 机理和模式。山东科技大学姜福兴教授1991对长厚比小于58倍的中厚板进行了解算 [15]，得到了一些有益的结论。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 5关键层理论 由于煤系地层的分层特性差异，因而各岩层在岩体活动中的作用是不同的。有些 较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；有些较为软弱的 薄岩层在活动中只起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承担。实践表明，只有 其中一层或数层厚硬岩层在岩层移动中起主要的控制作用。钱鸣高院士领导的课题组 根据多年对顶板岩层控制的研究与实践，在80年代中后期提出了岩层控制中的关键层 理论[16]。将在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关键层。覆岩中的关键层一般为 厚度较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层。关键层判断的主要依据 是其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是 相互协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。关键层的破断 将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。岩层中的亚关键层可能不止一层， 而主关键层只有一层。茅献彪、缪协兴、钱鸣高1998研究了覆岩中关键层的破断规律 [17]，钱鸣高、茅献彪、缪协兴1998就采场覆岩中关键层上载荷的变化规律作了进一步 的探讨[18]，许家林、钱鸣高2000给出了覆岩关键层位置的判断方法。 关键层理论揭示了采动岩体的活动规律，特别是内部岩层的活动规律，是解决采 动岩体灾害的关键。关键层理论及其有关采动裂隙分布规律的研究成果为我国卸压瓦 斯抽放提供了理论依据。许家林、钱鸣高[19]1997和钱鸣高、许家林[20]分别对覆岩采动 裂隙分布特征和覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征进行了研究，建立了卸压瓦斯抽放 的“O”形圈理论。它保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范围、较高的瓦斯抽放 率，已在淮北、淮南、阳泉等矿区的卸压瓦斯抽放中得到成功试验与应用[21-22]。岩层控 制的关键层理论的原理可以用于采场底板突水的治理中，即在采场底板隔水层中，找 出起主要控制作用的隔水关键层，由此展开相应的力学分析。黎良杰1995在底板突水 事故统计分析的基础上，对无断层底板关键层的破断与突水机理及有断层底板关键层 的破断与突水机理进行了研究[23]。在矿压控制研究中，关键层理论表明，相邻硬岩层 的复合效应增大了关键层的破断距。当其位置靠近采场时，将引起工作面来压步距的 增大和变化。此时不仅第一层硬岩层对采场矿压显现造成影响，与之产生复合效应的 邻近硬岩层也对矿压显现产生影响。其影响主要体现在两方面一是当产生复合效应的 相邻硬岩层破断相同时，一方面关键层破断距增大，另一方面一次破断岩层厚度增大， 增大了工作面的来压步距和矿压显现强度；二是当产生复合效应的相邻硬岩层破断距 不等，工作面来压步距将呈一大一小的周期性变化。当覆岩中存在典型的主关键层时， 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 由于其一次破断运动的岩层范围大，尤其是当主关键层初次破断时，将引起采场较强 烈的来压显现。 1.2.2 矿压控制技术的发展[24-29] 早在19世纪初期，美国、英国等国家就己经开始锚喷支护技术的试验研究，但是 系统研究是从40年代开始，50年代以来己经在金属矿山、水利等地下工程中广泛使用。 锚喷支护用于煤矿软岩支护始于60年代初期。 进入80年代末期，随着地下工程深度的加大，软弱围岩问题更为突出，仅以锚喷 支护为主的支护技术在软弱围岩隧道中成效降低，存在的主要问题是锚喷支护以后仍 发生底鼓、片帮、大变形、压力大等工程灾变。为扭转这种被动局面，出现了取代锚 喷支护的u型钢可缩性支架支护和高强砼弧板支架支护。例如，波兰的Lublin煤矿，第 一水平采深700m，第二水平采深为1000m。当开采第一水平时，其采场围岩是砂质泥 岩为主的泥质岩类，组成这些泥质岩的主要矿物是维晶高岭石、水云母及少量的伊、 蒙混层矿物。存在的主要问题是，巷道锚喷支护以后，底鼓、片帮、变形、压力大。 其初期变形速率达80.0mm/d，前10天变形量是800.0mm左右，前一个月的底鼓量为 900.0mm，前3个月的底鼓总量为1200.0mm，前6个月的底鼓总量为1350.0mm。该矿采 取的措施是不断挖底、扩帮，进行翻修。为扭转这种被动局面，该矿与波兰煤矿科 学研究总院协作进行了三年多的试验研究，把锚喷支护改为钢架支护，主要试验了U29 和U36两种支架形式，巷道支护采用3架/m，支护费用很高。 在进行了一系列钢架试验之后，国外一些科学家发现，对一些泥质岩石仍然是控 制不住软岩地压，因而国外近年来转向研究软岩工程地质特性，以期对不同性质的软 岩采取不同的支护办法。 随着开采深度的不断增加，巷道支护越来越困难，原来主要使用金属支架的产煤 国家在上世纪80年代后越来越重视锚杆技术的发展与应用。英国1987年全面引进澳大 利亚成套锚杆支护技术，煤巷锚杆支护得当迅猛发展。1994年已经完全改变过去以金 属支架支护为主的局面，锚杆支护达到了80。德国在上世纪80年代以后，为了解决 开采深度日益增加，矿井机械化开采程度提高而引起巷道断面的不断扩大，使得巷道 围岩变形量增加，维护日益困难等问题，通过改变U型钢支架间距使支护费用增高，并 难以使巷道维护困难有改观，也开始在采准巷道推行锚杆支护技术，在鲁尔矿区现已 应用到千米的深井巷道中。法国煤巷锚杆支护技术也发展很快，锚杆支护比重已经超 过50。俄罗斯第一大矿区库兹巴斯矿区巷道支护锚杆所占比重已达50以上。 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 随着计算机的发展，为了充分利用专家经验和先进知识，并在理论化和系统化的 基础上便于为广大工程技术人员使用，从80年代后期起我国煤炭部门也开始了采矿应 用专家系统的研制，并已经初步研制出长壁单体支柱工作面顶扳控制设计专家系统和 巷道支护形式和参数选择专家系统。90年代末期，我国软岩工程设计与施工初步形成 了一套比较成熟的将类比定性、定量计算和施工位移反馈相结合的动态综合设计程序。 另外，以有限单元法、边界元法、离散元法等为理论基础的计算软件大量涌现， 并应用于地下工程，如SAP，ANSYS，RFPA2D，FINAL，ADINA，FLAC等国际著 名程序为地下工程围岩支护理论及方法的研究提供了有利的工具。目前在软岩工程领 域新的分析方法、支护方法、支护技术不断涌现，如锚喷网耦合支护技术、柔性锚 索支护技术、刚柔层控制技术、刚隙层控制技术、锚杆三维优化支护技术和消力底梁 技术等。 1.3 研究的理论基础及其进展 1.3.1 采场矿山压力理论的重要地位与前沿性 “岩石力学要更好地应用于工程实践”是国际岩石力学学会主席樱井春辅在访华 期间所强调的。他指出，国际岩石力学界在七十年代比较重视工程实践，近年来令人 担忧的总是在于许多科学家过份注重基础理论研究而忽视了在工程实践中的应用。为 了改变这一状况，国际岩石力学学会于1996年改名为“国际岩石力学与工程学会”。 采矿工程是一项巨大的岩石力学工程，作为采矿工程灵魂的矿山压力学科是岩石力学 在采矿工程中应用与发展的重要分支。长期以来我国矿压学者一直注重理论研究与解 决工程实践问题相结合，确立了现场实测实验分析理论研究相结合的研究方法， 遵循实践理论再实践的认识路线，取得了丰硕的理论成果，解决了大量的采场岩 层控制难题，在促进科技进步与经济发展中起到了重要的作用。我国矿压理论与实践 方面的研究形成了自己的特色，已受到国内外的普遍关注。 有关专家指出国际岩石力学在21世纪的研究重点将日益转向地下。“19世纪是桥的 世纪，20世纪是高层建筑的世纪，未来的21世纪则是人类开发利用地下空间的世纪”。 21世纪的矿山压力研究与实践将拥有更广阔的舞台，为造福人类发挥更重要的作用。 岩石作为固体，其力学行为又是固体力学的研究范畴。近50年来，固体力学研究 领域的主要成果是建立了宏观固体力学的基本框架，引入计算机技术发展了计算固体 力学，并建立了固体破坏理论和宏观本构关系的理论描述等。固体力学的研究焦点仍 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 然是固体变形及宏观裂纹扩展的破断过程。连续介质的变形与破坏问题可以采用弹性、 塑性力学和损伤与断裂力学方法进行描述。关于切割比较完整的岩体稳定性也有相应 的块体理论。关于松散岩体已初步形成了一门松散介质力学或散粒体力学的科学分支。 采矿工程在岩石工程中占有重要地位，世界上每年都进行着大量的地下开采活动，这 些工程实践中普遍存在层状岩体破断后的块体与连续体及块体与块体之间的铰接力学 行为，正是这些行为构成了采场矿山压力显现。这种非连续介质与连续介质的耦合作 用，就固体力学而言还是尚待进行探讨的科学前沿。 砌体梁理论是当代矿压控制研究领域中具有代表性的成果，其研究对象是层状岩 体破坏后的铰接力学行为，其研究的发展己从假说和模型进入定量化，其研究成果已 被大量地下工程实践所证实并得到广泛应用。对于层状岩体破坏成块体后的力学行为 问题，砌体梁理论为固体力学研究开创一条新的思路。砌体梁理论学术思想不仅在采 矿科学和岩石工程中有重要的学术地位和广泛应用价值，而且在固体力学研究领域也 处于科学前沿。 1.3.2 采场矿山压力理论的发展简史 我国是世界上采矿最早的国家之一。明代末年所出的天工开物一书中，己具 体记述了用立井开采及在井下进行支护与充填的情况，证明我国在采矿事业发展初期， 人们就己认识到矿压的危害和需要加以控制。欧洲国家对矿压的认识大约开始于15世 纪。据文献记载，英国曾发生过由开采造成地表破坏而引起诉讼的事件。1487年，欧 洲一些国家因地下开采发生破坏庙宇及城市供水的事件增多，制定了防止采矿工作破 坏地表的协定。1830年以后，比利时、德国、法国等国家为了防止地面建筑物遭破坏 也曾提出过一些确定保护煤柱的方法。 19世纪后期到20世纪初，可以认为是采场矿压假说的萌芽阶段。这一时期开始利 用比较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，并提出了一些初步的矿压假 说，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的所谓“压力拱假说”。此外， 对巷道围岩破坏机理和支架所受的岩石压力大小，也开始进行了初步的理论研究。尽 管当时提出的一些理论和假说本身尚存在许多不足之处，而且只能在比较局限的条件 下应用，但它在矿压发展进程中起到过重要的历史作用。这个时期还提出了以岩石坚 固性系数f普氏系数为定量指标的岩石分类方法，并曾得到广泛应用，至今也未完全 失去意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 20世纪30年代至50年代为以连续介质力学为理论基础的研究阶段。这一阶段开始 了把巷道周围直到地表的整个岩体作为连续的各向同性弹性体来进行研究和建立假 说，利用弹性力学理论研究矿山岩石力学问题。以后又考虑了岩体非均质和各向异性 对理想弹性体的影响以及层状岩体层理的影响。这一时期30年代德国回采工作面开始 使用摩擦式金属支柱，50年代英国回采工作面出现了自移式液压支架。随着支护设备 的改进，长壁开采得到发展，顶板岩层控制问题日益受到重视。在生产实践的召唤下， 采场顶板结构研究进入了新阶段。 20世纪60年代至80年代初是采场顶板结构学说百花齐放的阶段，也是“砌体梁” 结构学说的形成时期。这一阶段对覆岩可能形成的结构提出了众多假说，用以解释采 场各种矿压现象。各派学说的争鸣，促进了顶板结构学说的发展与成熟，其中主要有 压力拱假说、悬臂梁假说，以及比利时学者A.拉巴斯提出的预成裂隙假说和原苏联学 者г. H.库兹涅夫提出的铰接岩块假说。到70年代末80年代初，我国学者钱鸣高院士在 铰接岩块假说和预成裂隙假说基础上，根据岩层内部移动实测，提出了采场上覆岩层 “砌体梁”结构假说并给出了力学模型，创造性地发展了上述有关假说。砌体梁结构 理论代表了我国学者对采场上覆岩层结构理论的贡献，并成为这一时期的代表作。 自80年代后期至今，是砌体梁结构理论的大实践与大发展时期，也是砌体梁结构 理论由力学模型向体系化和定量化的发展阶段。在80年代中后期，展开了对老顶岩层 形成砌体梁结构前的连续介质力学模型分析，视其为弹性地基梁和板结构，分析了这 些结构的断裂形成及断裂前后对工作面来压的影响，奠定了采场超前来压预报的理论 基础。钱鸣高院士所提出的砌体梁理论己被广泛应用，并一直在不断的实践中得到发 展。进入90年代后，研究又取得了重大的突破，砌体梁理论更加完善，给出了砌体梁 结构受力的理论角和岩层内部移动曲线定量解；建立了砌体梁关键块体的“S-R”稳定 理论;证明了顶板下沉与支架载荷的P-△1双曲线关系；建立了采场矿山压力整体力学模 型，阐明了支架受力来源问题，成功地解释了包括放顶煤采场在内的支架受力问题； 提出了岩层控制中的关键层理论。特别是钱鸣高院士及其博士后缪协兴完成的砌体 梁结构分析与应用，使砌体梁理论更加系统化。到此，砌体梁理论经历了“假说 力学模型定量分析”三个阶段，初步完成了理论发展的一个大循环。 通过对国内外矿压理论研究现状的分析，国内外在矿压研究方面主要经历了以下 几个阶段，1压力拱假说；2铰接岩块学说；3“砌体梁”理论；4岩板理论；5关 键层理论。但大都主要是针对正常底板条件下采场矿压方面的研究。而在特殊底板软 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 底条件下采场矿压理论研究尚未见报道，正是基于这种情况，本文探索性地做了这方 面的研究。 1.4 研究的主要内容、研究方法 作为软弱底板煤层开采研究工作的初始阶段，论文以古交嘉乐泉煤矿2804工作面 为例进行研究，采用现场实测、理论分析、数值模拟计算和岩石力学试验等方法，研 究了嘉乐泉煤矿采场及顶板运动、矿压显现规律、支架实际工作状况。在此基础上对 现有支护进行合理优化，从而保证支护技术上可行，经济上合理，安全上可靠。具体 研究内容、研究方法如下 1系统地分析软岩的工程和力学特性。通过对不同顶板条件下软底工作面的数值 模拟，探索软底采场矿压规律特征。 2通过采用大型有限元软件RFPA2D进行数值模拟，以嘉乐泉煤矿为例，对嘉乐 泉煤矿2804工作面矿压规律预测，分析巷道变形破坏的特征，更好地选择有效的支护 体系。 3嘉乐泉煤矿2804工作面顶底板岩层力学性质实验研究。 4通过现场矿压观测，结合数值模拟结论，对给定ZH2500/22/30型组合顶梁悬移 支架进行适应性评价。 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 第二章 软底采场矿压显现规律 2.1 软岩的定义及巷道围岩分类 （1）软岩的定义 软岩巷道支护问题一直是困扰煤矿安全生产的主要问题之一，在我国软岩支护巨 大的返修量不仅造成每年数以亿元计的经济损失，而且严重制约矿井安全生产。 根据中国原煤炭部软岩专家组和煤矿软岩工程技术研究推广中心的讨论，软岩应 分为地质软岩和工程软岩两个概念，二者既有区别又有联系，并建议在软岩工程中应 用工程软岩的涵义[30]。地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及 风化膨胀性一类岩体的总称。该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和含泥质岩石等强度 较低的岩石，是天然形成的复杂的地质体。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压 强度δc0.525MPa的一类岩石[30]，其分类的依据基本上是单强度指标。工程软岩是 指在工程扰动力作用下，能产生显著塑性变形的工程岩体[31]，该定义不仅重视软岩的 强度特性，而且强调软岩所承受的工程扰动力荷载的影响，强调从软岩的强度和工程 扰动力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质，包含岩块、工程扰动力、 结构面及其空间组合特征等。 工程扰动力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、 水的作用力和工程扰动力及膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形 量超过工程设计允许变形值，并影响到工程的正常使用，显著塑性变形包括弹塑 性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相 对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相互关系。当工程力一定时，岩体的强度大 于工程力水平时，大多表现出硬岩的力学特性，强度低于工程力水平时，则可能表现 出软岩的力