巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究呋.pdf

第2 1 卷增2 岩石力学与工程学报2 1 增2 2 3 0 9 ～2 3 1 3 2 0 0 2 年1 2 , E l C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n gD e c ．，2 0 0 2 uv 巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究呋 赵伏军李夕兵胡柳青 中南大学资源与安全工程学院长沙4 11 0 8 3 摘要在总结现场试验效果的基础上，应用断裂力学理论分析了急倾斜煤层巷道放顶煤顶煤破断裂纹的扩展和破 碎机理。通过建立力学模型。探讨了急倾斜煤层放顶煤开采的影响因素，并得出了较为理想的开采条件是煤层 倾角为7 0 。左右、厚度大于临界厚度且裂纹发育。该结论对推广这一采煤方法具有较大的现实意义。 关键词断裂力学，急倾斜煤层，巷道放顶煤，顶煤破碎，裂隙扩展，板裂结构 分类号03 4 6 ．1 ，T D8 2 1文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 6 9 1 5 2 0 0 2 增2 - 2 3 0 9 - 0 5 R E S E A R C Ho NC R A C KM E C H A N I S MO FT o PC o A LI N S T E E PC o A LS E A M Z h a oF u j u n ，L iX i b i n g ，H uL i u q i n g S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4110 8 3C h ／n a A b s t r a c tO nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n g t e s t i n ge f f e c t s ，t h ee x t e n s i o no fc r a c ka n dt h eb r e a k i n gm e c h a n i s mo ft o p c o a lc a v i n gi ns t e e ps e a mh a v eb e e na n a l y z e db ya p p l y i n gf r a c t u r em e c h a n i c st h e o r y ．T h ef a c t o r si n f l u e n c i n go n t h em i n i n gm e t h o dh a v eb e e nd i s c u s s e db yc o n s t r u c t i n gf r a c t u r em e c h a n i c sm o d e l s ．T h ei d e a Im i n i n gc o n d i t i o n s a l et h ec o a Is e a lh a sa na n g l eo f7 0 ．5 。，t h et h i c k n e s se x c e e d st h r e s h o l da n dd e v e l o p e dc r a c kh a sb e e no b t a i n e d ． T h ec o n c l u s i o nc o u l db eo fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ng e n e r a l i z i n gt h em i n i n gm e t h o d ． K e yw o r d sf r a c t u r em e c h a n i c s ，s t e e pc o a ls e a m ，r o a d w a ys u b - l e v e lc a v i n g ，t o pc o a lb r e a k ，e x t e n s i o no f c r a c k ， l a y e r - c r a c k e ds t r u c t u r e 1 引言 长期以来，项煤破碎机理研究一直是放顶煤开 采理论体系研究的一个重要内容。传统的研究方法 是将煤体视为连续、均质和各向同性介质，并对其 应力和强度进行分析，以此来解决煤体的破碎问题。 但随着人们对煤岩破坏过程和破碎机理的深入研 究，发现煤岩体的破碎无一不是裂纹的断裂和扩展 过程I l l 。事实上，在煤岩中存在着大量的微裂纹 几 微米～几毫米 、宏观裂纹、层理、节理面和软弱面 等裂纹缺陷，这些原生裂纹及弱结构面受到采掘活 动的影响而得以发展或产生新的次生裂纹使煤体失 稳破坏。因此，把煤岩视为碎裂介质，并针对一些 典型的裂纹分布状态，应用断裂力学理论研究其扩 展变化过程，为丰富放顶煤开采理论、指导放顶煤 开采实践、提高顶煤回收率有着十分重要的意义。 2 顶煤破碎过程描述 2 ．1 急倾斜煤层放顶煤方法简介1 2 1 在开采区内，沿煤层的倾斜方向按一定的标高 1 5 ～2 5m 将煤层划分成若干个区段，在每个区段 的底部沿煤层顶板布置一条水平放煤巷道，如图l 所示。在放煤巷道的下帮均匀布置放煤小眼，然后 在小眼内进行松动爆破，使一定高度的顶煤初采放 2 0 0 2 年1 2 月9 日收到初稿．2 0 0 2 年1 2 月2 6 日收到修改稿． 国家自然科学基金资助项目 5 0 1 7 4 0 5 6 ． 作者赵伏军简介男．4 0 岁．1 9 8 4 年毕业于湘潭工学院采矿工程专业，现任副教授，主要从事采矿工程专业方面的教学与科研工作． 万方数据 岩石力学与工程学报 2 0 0 2 年 出形成巷洞空间，上部的顶煤在集中压力、瓦斯压 力、自重等因素的作用下自行垮落，从放煤小眼中 放出。 a 平面 I b 爿一剖面 l 一放煤巷道，2 一放煤小眼．3 一初采空闻， 4 一顶煤．5 一运输石门．6 - - 回风石门 图l急倾斜煤层放顶煤系统 F i g ．1T o pc o a lc a v i n gs y s t e mi ns t e ps e a m 2 ．2 顶煤的破碎过程描述 顶煤的破碎过程可划分为两个阶段初采阶段 和正常破煤阶段。 1 初采阶段。采用打浅眼、少 装药、宽孔距的松动爆破技术，使邻近放煤巷的顶 煤成为裂纹发育体，靠煤的自重及煤体内的孔隙瓦 斯压力的作用将煤放出。 2 正常破煤阶段。初采 之后，松散煤体己放出，形成了一个无支护的自由 扩展巷洞空间，顶煤受上覆岩层的压力作用和开采 引起的集中应力作用，在煤壁附近形成高应力集中 a 裂纹受压 区，当应力达到煤层裂纹起裂的最小应力时，煤层 中的原生裂纹、层理、节理等弱面结构开始扩展， 并在原生裂纹两端形成分支裂纹。大量的试验结果 和理论计算表明，裂纹开始起裂是垂直于最大拉应 力方向开裂，即按I 型扩展。在复杂应力的作用下， 其开裂方向平行于最大压应力方向【h3 1 。图2 表示 了裂纹的扩展过程。图2 a 为裂纹受压，在滑移面 上产生剪应力，支裂纹上产生张应力，所受的张力 为滑移面上有效剪应力在煤层倾斜方向上的投影 图2 b 为初采之后出现临空自由面，裂纹受煤的自 重以及瓦斯压力等张力作用向两侧张开；图2 c 为 多条裂纹扩展、贯通情况。近距离的裂纹扩展后相 互贯通，在煤壁面附近形成与煤体分离的薄煤板结 构，亦即产生板裂化[ 4 1 现象。板裂结构随压应力的 进一步增加而膨胀，致使煤壁面产生位移，进而压 屈破坏，最后冒落。随着集中应力的周期性变化， 这个过程重复出现，一直到所有顶煤垮落。因此， 顶煤不断由板裂．垮落．再板裂．再垮落的过程就是顶 煤的破碎过程。煤层的板裂破碎规模取决于集中应 力的大小和板裂的厚度和数量。 3 断裂力学模型 3 ．1 裂纹起裂准则【1 ’5 I 根据断裂力学理论，应力强度因子K 表示裂纹 尖端应力场强弱的物理量，是控制断裂的参数，它 依赖于载荷的大小和裂纹的几何尺寸；断裂韧度K , c 是裂纹块体的一个特征常数，表征裂纹对断裂的阻 力。I 型裂纹扩展的必要条件是局≥K c 或G l ≥G I c 。 于是，裂纹的起裂条件 或裂纹的极限平衡条件 是 局 蜀c 或G I G l c 。 处于亚临界状态的裂纹有以下几种可能的情 b 裂纹张开 c 裂纹扩展、贯通 图2 裂纹扩展过程 F i g ．2 P r o c e s sf o re x t e n s i o no fc r a c k 万方数据 第2 l 卷增2赵伏军等．巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究 2 3l l 况 1 G I 0 G l c ，但G l f c G 。 0 Z “，c 产G l c ，则顶 板来压后某时刻f c 为临界时间 将发生延迟失稳； 2 G 。 o o G I 0 o o G ”即为延迟失稳的 临界状态； 3 G 。 0 0 G 。 0 o o 岛或认岛时，即进入煤层顶板或底板范围内， 蝎值均变小。这说明煤层中的裂纹应力强度因子始 终大于顶、底板中的裂纹应力强度因子。再考虑到 岩石的断裂韧度比煤的断裂韧度要大，所以急倾斜 煤层放顶煤开采总是顶煤先冒落，而顶、底板后垮 落，显然这是实现该采煤方法的先决条件。由式 6 ， 7 可知应力强度因子及裂纹扩展长度是时间的函 数，随着时间的增加而增加。因此，顶煤破碎具有 时间效应，往往发生延迟失稳。在试验矿井中，几 乎每一个矿都不同程度地存在延迟垮落现象，特别 在马家沟矿最长延迟时间达一个星期。式 1 3 说明 了煤层板裂的临界载荷与煤厚、板裂厚度紧密相关。 当煤层厚度M ≥尥时，项煤能自行垮落；而当M J | l 站时，则需采取预松动技术措施使煤体垮落。同 样，裂纹发育，板裂厚度小，板裂结构易失稳破坏， 对放顶煤有利。综上所述，可以得出煤层厚度大于 l 临界厚度值、裂纹发育、倾角等于7 0 。是放顶煤开 采的最有利条件。当然，顶煤破碎还受到其他因 素的影响，如顶、底板条件、水、夹矸等，这已 在文【2 】中作了论述。 5 工程应用 p 可4 x 2 E I 下q M s i n 1 2 5 l 开采条件及试验参数 急倾斜煤层放顶煤分别于1 9 9 6 年和1 9 9 9 年在 万方数据 第2 l 卷增2 赵伏军等．巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究 梅田矿务局六矿8 - 2 煤和开滦矿务局马家沟煤矿1 2 煤进行了工业试验，煤层开采条件如表1 所示。 6结 语 表1煤层开采条件及参数 T a b l el M i n i n gc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r so ft h es e a m s 5 ．2 计算结果及开采效果 1 计算时分别取b 为煤层水平厚度的一半， f ．2m m ，c l Om m ，妒分别为2 2 。和1 2 。，∥ O ．2 ， 砚为重力与瓦斯压力之和，集中应力系数取2 ．5 ，煤 的断裂应力强度因子为O ．3M P a ．m - 3 尼。根据式 1 ， 3 矛1 1 1 3 ，计算结果如表2 所示。 2 观测结果 梅田六矿8 ．2 煤和马家沟矿1 2 煤基点位移实测 结果如图6 所示。 表2 计算结果及开采效果 T a b l e2 C a l c u l a t i n gr e s u l t sa n dm i n i n ge f f e c t s 初采空间压剪等滑移裂纹组 煤层俪臌 篡效管度应雾。蔬每 ．撒I B 一。／t 篇。 名称因子因子临界值一⋯，t ． ～ ．月_ 1 K z ／M P a m mK d M P a m 一3 ／2 ／m ⋯ 8 ．2 煤 8 ．9 24 ．5 2 28 07 01 248 0 0 1 2 煤3 3 ．9 51 6 ．8 22 ．3 58 22 82 70 0 0 1 应用断裂力学理论，建立断裂力学模型， 分析煤体裂纹的失稳扩展，是研究顶煤破碎机理的 一条有效途径。本文所建立的断裂力学模型，揭示 了顶煤断裂应力强度因子与煤层埋深、厚度、倾角 等因素的关系，得出了放顶煤开采的较为理想的条 件是埋深大、煤层厚、倾角大 7 0 。左右 。 2 在煤壁附近应力集中区，裂纹扩展、贯通， 出现板裂化现象形成板裂结构。该结构失稳破坏意 味着顶煤的垮落。煤层的板裂破碎规模取决于集中 应力的大小和裂纹的发育程度。 3 煤体裂纹的扩展、贯通具有时间相关性， 往往产生延迟失稳。因此，在放顶煤生产中，时常 有出煤不连续现象。对于这种情况，必须采取预松 动措施，促进顶煤裂纹快速发展，提高顶煤的回收 率。 01 02 03 0 煤层高度，m 图6 煤层深基点位移实测曲线 F i g ．6D i s p l a c e m e n to f d e e pb a s ep o i n ti nt h ec o a l 参考文献 于骁中，谯常忻．周群力．岩石和混凝土断裂力学[ M I ．长沙中 南工业大学出版社．1 9 9 1 ，5 8 7 ～5 9 9 王卫军．朱川曲．谢东海等．急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践[ M 】． 北京煤炭工业出版杜．2 0 0 1 缪协兴，安里千。瞿明华，岩 煤 壁中滑移裂纹扩展的冲击矿压模 型【J 】．中国矿业大学学报，1 9 9 9 t2 8 2 1 1 3 ～1 1 7 孙广忠．岩体结构力学【M 】．北京科学出版社，1 9 8 8 ．3 3 9 ～3 8 0 张淳源．裂纹的延迟失稳【J 】．湘潭大学学报．1 9 8 7 ． 4 4 5 ～5 0 【苏】切列帕诺夫rn ．脆性断裂力学[ M I ．黄克智译．北京科学出 版社．1 9 9 0 ，1 4 7 ～1 6 3 李术才．朱维申．复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究 及其应用【J 】．岩石力学与工程学报．1 9 9 9 ．1 8 2 1 4 2 ～1 4 6 C h e r tWF ，A t s u t aI 梁柱分析与设计 第一卷 平面问题特性与设 计【M 】．周绥平，刘西拉译．北京人民交通出版社1 9 9 7 3 0 ～ 3 8 万方数据 巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究 作者赵伏军， 李夕兵， 胡柳青， Zhao Fujun， Li Xibing， Hu Liuqing 作者单位中南大学资源与安全工程学院,长沙,411083 刊名 岩石力学与工程学报 英文刊名CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷期2002，21z2 被引用次数4次 参考文献8条参考文献8条 1.于骁中.谯常忻.周群力 岩石和混凝土断裂力学 1991 2.王卫军.朱川曲.谢东海 急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践 2001 3.缪协兴.安里千.瞿明华 岩煤壁中滑移裂纹扩展的冲击矿压模型[期刊论文]-中国矿业大学学报 199902 4.孙广忠 岩体结构力学 1988 5.张淳源 裂纹的延迟失稳 198704 6.切列帕诺夫 Г П.黄克智 脆性断裂力学 1990 7.李术才.朱维申 复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用[期刊论文]-岩石力学与工程学报 199902 8.Chen W F.Atsuta T.周绥平.刘西拉 梁柱分析与设计第一卷平面问题特性与设计 1997 相似文献2条相似文献2条 1.学位论文 许勃 急倾斜煤层覆岩导水裂隙带高度研究 2009 随着煤炭资源开采强度的不断加大，急倾斜煤层的开采越来越受到关注。急倾斜煤层开采覆岩破坏规律及导水裂隙带高度的研究是西部煤炭开采的 重大课题，特别是对于河流、岩溶水、老窑积水以及降雨入渗影响的急倾斜煤层开采。本文以云南圭山煤矿急倾斜煤层顶板为研究对象，在导水裂隙带 高度的计算中采用一种新思路，将受孔隙水压影响的顶板砂岩引入到急倾斜煤层覆岩顶板的模拟计算中，分析了急倾斜煤层在受孔隙水压影响下顶板覆 岩力学性质发生改变时的导水裂隙带发育高度。 首先，通过煤层顶板砂岩F-RFPA2D数值模拟试验，对有孔隙水压和无孔隙水压作用下岩石的整个破坏过程进行了详细分析，得出了岩石全应力应变 全程曲线。并对相同应力条件不同孔隙水压下岩石的破坏情况进行了模拟，得出岩石破坏强度与孔隙水压之间的函数关系曲线，通过曲线拟合得出曲线 拟合方程； 其次，运用材料力学、弹性力学、断裂力学知识，结合数值模拟试验对岩石中孔隙水压的物理化学作用及力学作用原理进行了分析，讨论了孔隙水 压对砂岩力学参数的影响，重点分析了孔隙水压对岩石强度以及破坏模式的影响，揭示了孔隙水压引起覆岩导水裂隙带高度变化的机理； 最后，结合急倾斜煤层覆岩破坏理论提出了孔隙水压对急倾斜煤层覆岩移动特征以及破坏结构的影响；通过对云南圭山煤矿急倾斜煤层31139工作面 进行FLAC3D数值模拟分析，得出由于孔隙水压的影响，导致覆岩破坏规律以及导水裂隙带发育高度呈现出与无孔隙水压时不同的特征。运用急倾斜煤层 导水裂隙带高度经验公式以及现场观测数据与模拟结果进行对比，验证了数值模拟结果的正确性。最后对不同分段高度下覆岩导水裂隙带高度进行模拟 研究，论证了在该地质条件下70m分段高度有利于工作面回风巷安全生产管理。并运用回归分析理论对模拟结果进行曲线拟合得出2MPa孔隙水压下分段高 度和导水裂隙带高度的拟合方程。 2.学位论文 朱海苍 孔隙水压作用下急倾斜煤层围岩运动规律研究 2008 我国是世界上煤炭储存量最丰富的国家之一。随着煤炭资源开采强度的不断加大，急倾斜煤层的开采越来越受到关注。急倾斜煤层开采围岩移动变 形规律的研究是西部煤炭开采的重大课题，特别是对于河流、岩溶水、老窑积水以及降雨入渗影响的急倾斜煤层开采，安全生产隐患成为制约矿井发展 的瓶颈。本文以云南圭山急倾斜煤层为研究对象，在参与导师课题研究的基础上，对孔隙水压影响下的急倾斜煤层开采围岩运动规律进行了研究。 首先，对煤层顶板含水砂岩进行了不同含水率下岩石力学性能的测试，得出了砂岩强度、弹性模量与含水率的关系。利用试验得出的力学参数进行 F-RFPA2D数值模拟，得到不同围压与孔隙水压组合下岩石的破坏特征，岩石全应力应变过程渗透率的演化规律，并对影响孔隙水压作用的四个主要因素 进行了分析，得出各自与岩石裂缝扩展的关系。 其次，结合弹性力学、断裂力学对岩石中孔隙水压作用原理进行了分析，讨论了孔隙水压对砂岩力学特性强度和变形模量的影响。并根据弹塑性 相关理论，从砂岩变形特性入手，得出了砂岩弹塑性本构关系。 最后，利用上述研究结果，对云南圭山煤矿急倾斜工作面进行FLAC3D数值模拟分析。结果表明由于孔隙水压的影响，顶板岩层的强度和变形模量发 生变化，导致围岩破坏和运动规律呈现出与无孔隙水压时不同的特征。验证了本文研究结论与现场的一致性。 引证文献4条引证文献4条 1.王金安.冯锦艳.蔡美峰 急倾斜煤层开采覆岩裂隙演化与渗流的分形研究[期刊论文]-煤炭学报 20082 2.谢东海.冯涛.赵伏军 我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势[期刊论文]-科技信息（科学教研） 200714 3.冯锦艳 急倾斜煤层开采覆岩破坏机理与雨水渗流规律研究[学位论文]博士 2006 4.魏锦平 综放面顶煤压裂规律及成拱机理研究[学位论文]博士 2004 本文链接 授权使用西安科技大学xakjdx，授权号c5ec4f9a-6a05-4603-9cdf-9e1b009f0d64 下载时间2010年10月26日