长壁工作面采场动态结构力学模型及其应用研究.pdf

分类号分类号 TD74 TD74 密 级 密 级 公 开公 开 U D C U D C 单位代码 单位代码 10424 10424 学学 位位 论论 文文 长壁工作面采场动态结构力学模型长壁工作面采场动态结构力学模型 及其应用研究及其应用研究 王王 崇崇 革革 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 宋宋 振振 骐骐 职职 称称教授、院士教授、院士 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二 OO 六年五月二 OO 六年五月 论文题目论文题目 长壁工作面采场动态结构力学模型长壁工作面采场动态结构力学模型 及其应用研究 及其应用研究 作者姓名作者姓名 王王 崇崇 革革 学 制学 制 三 年 三 年 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力及其控制矿山压力及其控制 指导教师指导教师 宋宋 振振 骐骐 职职 称称 教教 授、院授、院 士士 论文提交日期论文提交日期2006 年年 5 月月 24 日日 论文答辩日期论文答辩日期2006 年年 7 月月 15 日日 授予学位日期授予学位日期2006 年年 12 月月 20 日日 STUDY ON THE DYNAMIC STRUCTURAL MECHANICS MODEL AND APPLICATION OF PIT IN LONGWALL MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Chongge Supervisor Professor Song Zhenqi College Natural Resources and Environmental Engineering May, 2006 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。 博士生签名博士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学博士学位论文 摘 要 摘摘 要要 迄今为止， 我国煤矿安全高效开采设计和实施仍然须要对开采覆岩运动和支承压力分 布发展规律进行深入研究。理论研究和生产实践证明，煤矿重大事故包括顶板塌垮、冲击 地压、瓦斯和煤层突出、煤尘及瓦斯爆炸、矿井透水、突水、淹井以及地表沉陷等环境灾 害，几乎都与采掘工作面推进、覆岩运动破坏和应力场应力大小及分布密切联系在一起。 论文在“以岩层运动为中心的矿山压力理论体系”的基础上，对长壁工作面采场的矿 山压力与地表沉陷相互关联的结构体系进行了深入研究。通过构建长壁工作面采场的上覆 岩层破坏与开采沉陷的动态结构模型，建立了地下空间采动与地表沉陷的整体相互联系。 分析了采场四周煤体上支承压力随工作面推进的发展变化规律与上覆岩层运动以及地表沉 陷之间的关系。探讨了采场覆岩的叠层岩板模型的相关力学机理，并研究了破裂拱发展变 化与拱外围岩以及矸石相互耦合的动力作用。由于采场上覆岩层表现出地压、变形、破坏 等力学现象，几乎均与时间、温度有关，本文进一步研究了考虑温度影响的岩石热流变规 律，推导了岩石的微分形式的热粘弹塑本构方程，进而讨论了该模型的蠕变行为、松弛行 为以及卸载方程等。 通过对兖矿集团济三煤矿 6301 工作面的井下矿压观测与地表沉陷 GPS 观测，找出了采场覆岩运动与地表开采沉陷的耦合关系。按照相似比关系，对相关矿井的 具体工作面进行了三维立体相似材料模拟试验和急倾斜煤层开采的二维相似材料模拟试 验，找到了随采场推进的覆岩运动与沉陷相关规律。采用 RFPA 有限元软件，研究了采场 覆岩运动随采场推进的发展、变化和破坏过程。 论文在研究长壁工作面采场岩层运动、支承压力和开采沉陷在时间和空间上的相关关 系的基础上，通过理论分析、现场实测、数值分析、相似材料模型试验等多种手段研究井 下采掘活动与地表开采沉陷之间的耦合关系，为推进相关研究奠定了基础。 关键词关键词岩层运动、支承压力、开采沉陷、动态结构模型 山东科技大学博士学位论文 摘 要 Abstract Till now, the common nature of strata movement and underground pressure influence should be further studied as for the strategic decision of our country mining coal in safety and efficiency. It is proved theoretically and practically that the cases of some serious accidents in coalmines, including the roof collapse, pressure bump, coal and gas outburst, gas explosion , water-inrush ,water bursting, mining flooding and strata subsidence, are almost related to excavation advancing, strata movement and magnitude and distribution in stress field . Based on the theoretic system of rock pressure in mine according to key conditions of strata movement，the dissertation further studies the relationship of structure system between overburden collapse process and subsidence, sets up the relationship between underground excavation and surface subsidence, analyses the relationship between the developing law of abutment pressure on pit coal seam , strata movement and subsidence. We study the mechanics mechanism of pile-up rock slab, and probe into the dynamic interaction on fracture arch and strata out of arch each other. Because the phenomena of strata rock pressure, deation and destroy are almost related to time and space condition, the dissertation further studies the rule of rock thermo-rheology characters under the influence of temperature, it deduces the equations of the constitutive of thermo-visco-elastic -plastic in rock, and discusses the behaviors of creep, unload and relaxation, etc. Through underground rock pressure observation and GPS subsidence survey in 6301 workface of JISAN colliery of YANKUANG Group, the paper found out the relationship between the strata movement and subsidence. According to the relation of the similar proportion, the relationship between the strata movement and subsidence is found. Meanwhile, by RFPA finite element software, we have made a study on the development, variety, and fracture process of strata movement and subsidence along with pit advancing. Based on the study on the relation between strata movement, underground pressure and subsidence interrelated on time and space in longwall workface, the dissertation studies the relation between underground excavation and surface subsidence by resorting to such different s as theory analysis, locale survey, numeric analysis and similar material experiment, puts forward the framework of the relation research, and lays a solid foundation on such studies involved. KeywordsKeywords strata movement; abutment pressure; strata subsidence; dynamic structural model 山东科技大学博士学位论文 摘 要 目目 录录 1 绪 论1 绪 论1 1 1.1 问题的提出1 1.2 国内外研究现状2 1.3 研究的主要内容及研究方法9 1.4 研究的技术路线12 1.5 论文的主要工作13 2 长壁工作面采场动态结构力学模型及其应用2 长壁工作面采场动态结构力学模型及其应用1414 2.1 采场动态结构力学模型－上覆岩层动态运动规律14 2.2 采场动态结构力学模型－动态支承压力分布规律17 2.3 采场动态结构力学模型应用－开采沉陷计算26 2.4 小结33 3 采场动态结构模型的相关力学机理研究3 采场动态结构模型的相关力学机理研究3535 3.1 单层岩板结构模型研究35 3.2 叠层岩板的力学分析42 3.3 破裂拱对采场围岩的动力分析47 3.4 单轴应力下岩石的热粘弹塑性模型研究53 4 地表沉陷规律 GPS 实测研究4 地表沉陷规律 GPS 实测研究5959 4.1 地表移动观测59 4.2 测点观测数据63 山东科技大学博士学位论文 目 录 4.3 地表移动变形规律65 4.4 地表移动速度与工作面的关系68 4.5 结论69 5 三维与二维相似材料模拟试验研究5 三维与二维相似材料模拟试验研究7171 5.1 三维相似材料模拟试验71 5.2 急倾斜煤层平面相似材料模拟试验86 6 采场上覆岩层组合结构破坏过程的数值模拟6 采场上覆岩层组合结构破坏过程的数值模拟9393 6.1 RFPA 程序概况93 6.2 模型的地质情况、单元划分以及参数选取95 6.3 RFPA 数值模拟结果97 6.4 数值模拟结论101 7 济三煤矿 6301 工作面矿压观测7 济三煤矿 6301 工作面矿压观测102102 7.1 矿压观测的目的及意义102 7.2 6301 工作面的基本地质条件103 7.3测区的布置104 7.4 观测方法105 7.5 数据整理与分析107 7.6 观测数据结果分析114 8 结 论8 结 论115115 致 谢致 谢 118118 作者在攻读博士学位期间的主要研究成果作者在攻读博士学位期间的主要研究成果 119119 参考文献参考文献 121121 山东科技大学博士学位论文 目 录 Contents 1 Introduction1 1.1 Raising of Project1 1.2 The s and Its Present Situation Analyses2 1.3 The Main Work and Study s9 1.4 The Technology Routes of Research12 1.5 The dissertation main work13 2 The Dynamic Structure Mechanics Model in Longwall Mining and Its Application14 2.1 Dynamic Structure Mechanics Model Research-Law of Strata Movement14 2.2 Dynamic Structure Mechanics Model Research- Law of Underground Pressure Distributing17 2.3 Dynamic Structure Mechanics Model Research’s Application-Caculation of Subsidence26 2.4 Conclusion 33 3 The Relation Law Between Surrounding Rock Pressure and Subsidence35 3.1 The Monolayer Rock Slab Structure Model Underground Pressure Distributing35 3.2 The Mechanics Analysis of Pile-up Rock Slab 42 3.3 The Analysis of Dynamic Interaction on Fracture Arch and surrounding rock47 3.4 Study on Thermo-visco-elastic–plastic Model in Rock under the Condition of Uni-axial Compressive Stress53 4 Study on the Subsidence Survey with GPS instruments59 4.1 Surface Movement Observation59 4.2 The Observation Data of Survey Spots63 4.3 The Law of Surface Movement Deation65 4.4 The Relation Between Surface Movement Speed and Working Face68 4.5 Conclusion69 5 Study on Three-dimension and Two-dimension Similar Material Simulated Test71 5.1 Three-dimension Similar Material Simulated Test71 山东科技大学博士学位论文 目 录 5.2 Plane Similar Material Simulated Test of Steep Seam86 6 The Numeric Simulated Fracture Process of Pit Strata Structure93 6.1 RFPA Software Survey93 6.2 Model’s Geologic Condition, Cell division and Parameters Selection95 6.3 The Numeric Simulated Result of RFPA Software97 6.4 Numeric Analysis Conclusion101 7 Underground Rock Pressure Observation in 6301 Working Face of JISAN 102 7.1 The Purpose and Significance of Underground Rock Pressure Observation102 7.2 The Basic Geologic Condition of 6301 Working Face103 7.3 Survey Area Deployment 104 7.4 Observation 105 7.5 Data Analysis 107 7.6 The Result of Observation Data Analysis 114 8 Conclusions115 Thanks118 Main Study Achievements of the Author during Working on Doctor’s Degree119 Main Reference Documents121 山东科技大学博士学位论文 绪 论 １ 绪 论１ 绪 论 1.1 问题的提出 1.1 问题的提出 目前，煤炭仍然是我国的主要能源，每年从地下开采出的煤炭超过十亿吨，在我国的 国民经济建设中具有重要的战略地位。因此，煤矿安全高效开采的控制问题显得日益重要。 煤矿开采过程是对煤层原始赋存条件的动态扰动过程，开采引起采场围岩应力的重新 分布，形成采动应力场。采动应力场的发展变化规律与覆岩结构运动的研究是矿山压力与 控制的一个核心和关键的问题。采场上覆岩层运动和支承压力分布规律是采矿工程问题的 源头，几乎所有与开采有关的灾害事故均与之有关。多年来国内外的采矿工作者与研究人 员围绕这个问题进行了大量的相关科学研究，但由于问题的复杂性，直到本世纪初才形成 了较为系统的矿山压力理论和假说。尤其是近 30 年，我国采矿的专家、学者经过艰苦不懈 的努力， 在围岩运动和矿山压力的监测预报及控制方面取得了突破性的进展， 建立了以 “岩 层运动为中心”的“传递岩梁”理论 [1]和“砌体梁”理论[2]，为采场矿山压力与顶板控制和 安全管理工作奠定了坚实的基础，也为采动应力场及围岩运动有关的动力现象、突水事故 的控制提供了可靠的理论依据，极大的降低了事故发生率。 尽管如此，对上述等问题的研究仍远远不能满足煤矿现场生产实际的需求，目前与采 场覆岩运动及应力场有关的顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出事故、突水事故以及地表 沉陷等各种灾害仍然是影响与制约煤矿安全高效生产的主要因素。因此继续深入研究长壁 工作面采场采动应力场与覆岩运动的关系，特别是它们之间的动态演变规律，使之在理论 上更加深入细致，在实践上更加简捷实用，达到能够定量预测、动态预测的水平仍然是摆 在我国矿压工作者面前的主要任务。 实践表明，上覆岩层的运动与地表沉陷有着很大的联系，以往的学者往往是针对上覆 岩层的运动与地表沉陷的某一局部问题来进行深入的研究和探讨，而忽视了它们之间的必 然联系，因此，将岩层运动与地表沉陷作为一个整体相互关联系统来研究，并进一步的完 善由地下采场运动到地表沉陷的整体力学模型就更显得意义重大。在研究上覆岩层运动和 支承压力分布规律的基础上，建立长壁工作面采场动态结构的相关力学模型，并通过与实 测资料相耦合，获取各项参数，为煤矿安全高效开采的决策服务，是论文的目的所在。 1 山东科技大学博士学位论文 绪 论 1.2 国内外研究现状1.2 国内外研究现状 矿山压力及其控制、 采场上覆岩层运动与开采沉陷作为采矿工程学科的基础研究之一， 国内外专家、学者在这方面的研究成果众多。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矿山压力、岩层移动与地表沉陷规律进行了相关研究。 1.2.1 矿山压力与控制的研究状况 1.2.1 矿山压力与控制的研究状况 人们对矿山压力的认识和研究是随着人们对煤矿开采历史的发展而不断发展的。19 世 纪之前，人们对矿山压力的认识比较肤浅，尚未形成系统的理论体系。19 世纪中期以来， 随着采矿业的兴起，各国的采矿工作者及学者从采场顶板支护与管理出发，基本掌握了采 场上覆岩层的运动发展规律。提出了许多假说与理论，其中具有代表性的有哈克、吉里策 尔（德）提出的压力拱假说、维波尔的压力波假说、施托克（德）的悬臂梁假说、A拉 巴斯 （比利时）的预生裂隙梁假说、库兹涅佐夫（俄）的铰结岩块假说、茨姆白列维奇（俄） 的台阶下沉假说、伊尔切松（荷兰）的松散介质假说、宋振骐（中）的传递岩梁假说 [1]和 钱鸣高（中）的砌体梁假说 [2]。上述矿山压力假说都是从实践经验、现场实测以及数学力 学的一般性原理出发，在假定岩体基本属性的前提下，采用不同分析手段从不同角度来阐 述采场矿压的基本问题及上覆岩层运动规律。每一种假说都从不同的侧面在一定的程度上 反映了采场矿压现象的本质，推动了矿山压力理论体系的不断发展。 最初的拱假说之一，是由前苏联的 B.里特捷尔教授于 1879 年提出的，并且确定了拱 的数学计算方法。用变分法找出了所求函数，得出了拱的界面为抛物线。Fayol1885发表 了他的用于模拟顶板跨度的简支梁的研究结果。 Bucky 和 Taborelli1934研究了顶板大跨度 的产生和扩展的物理模型，使用了材料与岩石相似的完整梁，发现当达到某一跨距时，下 层梁的中心处在铅垂方向发生拉伸断裂。采取跨度的增加产生新的中心断裂，并是早先产 生的断裂闭合。Evans1941在研究天然断裂或人工破裂的顶板层的铅垂挠度、侧向压力以 及稳定性之间的关系时，利用砖石结构中的楔形拱的相似性，建立了跨越巷道的“伏萨尔 梁” （Voussoir Beam）的基本概念，并发展了一种评价顶板稳定性的分析方法，但由于静力 学方面的误差以及不能对问题的超静定问题进行处理，此种方法的实用性在一定程度上受 到了限制。继 Evans 之后，Alder 和 Sun1968、Baker 和 Hatt1972、Wright1974以及 Sterling1980都分别提出了有关顶板岩层变形机制的很有意义的报告。Holland1963基于 观测资料给出了条带开采条件下，压力拱的内宽与上覆岩层厚度即采深的关系。Beer 和 2 山东科技大学博士学位论文 绪 论 Meek （ 1982 ） 进 一 步 研 究 了 方 形 岩 板 和 矩 形 岩 板 的 屈 服 破 坏 形 式 。 Jones 与 Liewellyn-Davies1992对顶板形态进行了严格的分析，并绘制了顶板破坏的形态图，试图 用成拱原理说明破坏的位置。前苏联学者斯列萨列夫教授是发展板学说的重要贡献者，他 叙述了顶板与板相类似的概念，提出了用等效梁代替板的近似计算方法，但只限于研究采 场巷道的顶板控制。前苏联的加列尔津院士在对岩板的研究中，认为岩板 t/b≤1/5（t 为岩 板厚度，b 为岩板短边长度）时，用薄板方法是完全允许的。前苏联 A.A.鲍里索夫等的研 究表明，当 t/b≤1/3 时也能使用薄板理论方法，而当岩板在 t/b﹥1/3 的条件下，应将其视 为厚板对待。 我国国内学者对采场矿山压力及上覆岩层运动规律的研究也取得了大量的研究成果， 在岩层控制的许多领域都处于国际领先水平。 1981-1982 年中国矿业大学的钱鸣高院士等对 砌体梁的原理和应用作了较为系统的描述 [2] [6] [7] [8]，1986 年钱鸣高院士等首次用弹性基础 梁的力学模型从理论上证明了“反弹”机理并给出了算例，1987 年钱鸣高院士、朱德仁博 士以弹性基础上的薄板理论进一步分析了顶板破断的机理和模式 [10]，近期钱鸣高院士等人 提出了砌体梁的“S-R”稳定及关键块分析的方法 [12]，对该理论进行了完善和发展。山东矿 业学院宋振骐院士等人在大量现场观测的基础上与 70 年代末 80 年代初提出了以岩层运动 为中心的传递岩梁假说 [1]，其主要观点是采场上覆岩层运动对采场矿山压力分布及其显 现有明显影响的岩层范围是有限的。这部分岩层一般是由直接顶（在采空区已冒落，不能 始终保持向煤壁前方和采空区矸石上传递作用力的联系的岩层）及老顶（由明显影响采场 压力显现的传递岩梁（板）组成的岩层）组成。在足够的采深下，老顶断裂后周围煤体上 的支承压力分为两个部分，即内应力场和外应力场。随采场推进和老顶运动的发展，内外 应力场的范围，应力分布特征及大小始终是处在不断的有规律的变化之中。同时内外应力 场应力变化有明显的周期性。推进方向的周期性变化律与老顶各岩梁（板）断裂运动的周 期性相吻合，两侧支承压力分布变化的周期数及每周期变化的发展变化过程，分别与老顶 的岩梁（板）数目及相应的断裂和沉降相对应。在以岩层运动为中心的矿压理论指导下， 1989 年山东矿院的蒋金泉教授提出了采场来压预报的前兆隶属函数模型，应用弹性基础梁 理论研究了老顶断裂过程及其支承压力显现 [19] [20] [21]。1994 年山东矿业学院的姜福兴教授 完成了采场来压预报预测的专家系统 [18] [22]。近年来，有些学者将非线性科学的一些基本原 理应用到采场矿压与预测预报研究的领域，对矿压现象的预测预报评价问题进行了有益的 探索。 3 山东科技大学博士学位论文 绪 论 1.2.2 覆岩运动规律及开采沉陷的研究状况1.2.2 覆岩运动规律及开采沉陷的研究状况 采场覆岩的物理力学性状对岩层移动及地表沉陷有着直接的影响。随着煤层开采工作 面的推进，上覆岩层内部的原始应力场平衡状态受到破坏，岩层内部的应力重新分布以达 到新的平衡。采场顶板的变形过程与上覆岩层的变形过程是不同的，即采场的顶板岩层变 形、层面开裂、弯曲、离层，达到极限跨距开始断裂、垮落，形成初次垮落乃至周期性垮 落过程。在非充分采动过程中，采场上覆岩层表现出垮落、断裂、离层、移动和变形等特 征，形成垮落带、断裂带、离层带和整体弯曲下沉带四带。在充分采动后，上覆岩层形成 垮落带、断裂带和弯曲下沉带三带，最终表现为地表大范围的下沉。地表下沉幅度主要取 决于开采矿物的厚度及上覆岩层的岩性， 上覆岩层形成一个由动态到静态的沉陷发展过程， 导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁破坏等诸多灾害后果。 国内外对采场覆岩运动及开采沉陷的认识由来已久，矿压研究工作者从不同的角度对 由于开采活动引起的地表沉陷的影响范围及采动后上覆岩层运动规律、地表的变形、移动 规律的研究，经历了从被动认识开采规律，到主动控制的过程。 早在 19 世纪初就已经有了从采场顶板岩层直到地表移动理论的初步尝试。1838 年多 里斯及哥诺研究了岩层的塌落问题[29]。斯巴列首次提出岩层弯曲断裂的概念，并给出了岩 层断裂（梁）方式。19 世纪 50 年代，前苏联阿威尔辛认为，在回采工作影响下，岩层变 形，由弹性状态逐渐转为塑性状态[29]。国内代表性的研究宋振骐院士提出的“老顶传递岩 梁”学说[1]，和钱鸣高院士提出的“砌体梁”力学模型[2]。蒋金泉教授利用岩板理论，即用 固支弹性板以及弹性基础上的薄板模型，研究了顶板破断规律[24]。郭惟嘉、刘利民研究了 采动覆岩离层性确定方法及离层规律[66]。钱鸣高院士等对岩层控制中的关键层理论进行了 相关研究[9]。石永奎对采场覆岩运动进行了数值仿真研究[153]。吴士良研究了对采场矿山压 力有明显影响的覆岩破坏运动演化规律[152]。唐春安研究了岩层移动过程的数值模拟方法 [145]。谭云亮、赵卫东研究了变基础梁的解并对顶板断裂和压力分布的影响进行了分析[74]。 赵国景研究了采场上覆坚硬岩层的变形运动与矿山压力[79]。高存宝等研究了复合型坚硬顶 板在初压期间的再断裂及其控制[83]。宋扬教授对采场支承压力显现规律与上覆岩层运动关 系进行了研究[127]。 对矿山开采沉陷的认识始于 15 世纪， 比利时工程师哥诺特提出了开采沉陷的第一个理 论“垂线理论” [29]，以后又被Gonot发展为“法线理论” ，后又被Dumont进行修正，提出 了下沉量计算模式Wmcosα。同时一系列的假说和理论被提出，如耳哈西（1882）的“自 4 山东科技大学博士学位论文 绪 论 然斜面理论” ，法国人的Fayol1885“圆拱理论” ，豪斯（1889-1897）的“分带理论”等， 对覆岩变形移动和地