大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析.pdf

第 35 卷第 2 期煤炭学报Vol. 35No. 2 2010 年2 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb.2010 文章编号 0253 －9993 2010 02 －0182 －03 大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析 伍永平 1， 2， 解盘石1， 2， 任世广1， 2 1. 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安710054; 2. 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安710054 摘要 基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践， 结合理论分析、 相似材料模拟实验、 多元数 值仿真技术结果， 建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为， 采场围岩具有非对称应力特征， 岩 层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构， 且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式; 同 时， 大倾角煤层采场存在三维 “似壳” 力学结构， 其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、 开采高度、 工作面倾斜长度、 顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。 关键词 大倾角煤层; 围岩; 非对称力学特征; 倾向堆砌结构 ; “似壳” 结构 中图分类号 TD823. 21文献标志码 A 收稿日期 2009－04－13责任编辑 柴海涛 基金项目 教育部新世纪优秀人才支持计划 CET －04 －0972 作者简介 伍永平 1962 ， 男， 陕西汉中人， 教授， 博士生导师。E － mail wuyp xust. edu. cn Analysis of asymmetric structure around coal face of steeply dipping seam mining WU Yong- ping1， 2， XIE Pan- shi1， 2， REN Shi- guang1， 2 1. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education， Xi’ an University of Science and Technology， Xi’ an710054， China; 2. School of Energy Engineering， Xi’ an University of Science and Technology， Xi’ an710054， China Abstract Based on the research and projects practice of mining steeply dipping seam， used results of the theoretical a- nalysis， physical simulation experiments and multi- numerical- simulation- technology， asymmetry mechanics along the tendency of working face were summarized. In the roof strata， the tendency extrusion structure and countertendency structure are ed， and different kinds of structure exist in different area along the tendency， the homo- shell structure is ed around the coalface， the envelope shape of homo- shell structure section along the tendency and strike can be described by the nonlinear quadratic function which contain the parameter coal seam dip angle， mining height， face length and roof rock properties， ect. Key words steeply dipping seam; surrounding rock; asymmetry mechanics characteristics; tendency extrusion struc- ture; homo- shell structure 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 ～55的煤层， 是 国际公认的难采煤层。我国大倾角和急倾斜煤层占 15 ～ 20 的储量， 其年产量占全国煤炭总产量的 10左右。近年来， 随着国家经济发展对煤炭资源需 求的快速增长， 大倾角煤层在我国煤矿开采中所占的 比重将逐年增加， 解决其安全高效开采技术难题的要 求日益迫切。大量研究与实践表明［ 1 －7］， 大倾角煤层 开采所造成的围岩变形破坏较一般条件下煤层不同， 其覆岩结构也具有特殊特征， 由于缺乏对覆 围 岩 内结构形成过程及其施载特征、 结构空间变异特征等 基本科学问题的系统研究， 造成了开采方法选择失 误、 工作面灾害事故频发。因此， 研究大倾角煤层开 采的基本科学问题， 可以为该类煤层开采关键技术的 解决奠定理论基础， 减少安全生产事故， 大幅度地提 高能源的利用 资源开采 效率。 1大倾角煤层采场简化模型 对大倾角煤层开采进行研究总结， 建立了大倾角 采场简化模型 图 1 ， 运用理论分析 相似材料模拟 实验 多元数值仿真技术 FLAC RFPA PFC 等 相结合手段， 分析大倾角煤层采场空间结构从形成开 采空间变形破坏结构失稳运移机理。 第 2 期伍永平等 大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析 图 1大倾角煤层采场简化模型 Fig. 1Simply model of mining steeply dipping seam 2大倾角煤层采场空间非对称变形破坏特征 2. 1非对称破坏的基本特点 大倾角煤层开采沿倾斜方向呈现非对称力学特 征， 工作面顶板倾斜， 上部岩层应力释放较其下部明 显， 其影响明显的范围沿着顶板向下呈逐渐减少趋 势; 底板与顶板应力分布特征相反， 回采巷道区段煤 柱侧出现应力集中区。工作面走向力学特征与一般 埋藏条件下煤层特征相似， 沿煤层走向方向存在增压 区、 减压区和稳压区。顶板垮落破坏先从工作面中上 部开始， 随着工作面推进， 采空区上部顶板破坏并向 高层位和工作面下部延伸， 其延伸范围超过工作面回 风巷区域。同时由于下部充填， 使工作面上部垮落破 坏区域逐渐向工作面上部转移并延伸至上区段采空 区， 导致工作面上、 中、 下 3 个区域受力不均衡， 如图 2 所示。 图 2非对称破坏特征 Fig. 2Characteristics of asymmetry failure 2. 2倾斜砌体结构的倾向堆砌和反倾向堆砌 在大倾角煤层开采过程中， 顶板破坏岩层主要有 倾向堆砌结构和反倾向堆砌结构。直接顶板破坏易 形成倾向堆砌结构特征， 主要表现为 随着工作面推 进， 岩层产生垂直裂隙和离层裂隙破坏， 导致直接顶 板发生低位破坏， 形成沿工作面倾斜方向的堆砌结 构， 该结构通过岩层沿倾斜方向的挤压向下部直接顶 岩层传递作用并通过该作用保持结构稳定 图 2 a ; 反向堆砌结构主要形成于倾斜上部高位岩层 中， 由于倾斜上部易形成回采空间， 导致上覆岩层发 生破坏后运移空间大， 破坏岩块以下方为轴发生回转 运动， 形成反倾向堆砌 图 2 b 。 2. 3分区域破坏特点 在工作面倾斜方向下部区域， 岩体结构形成层位 较低， 一般易形成倾向堆砌结构， 结构的一般性失稳 不易发生， 周期来压显现不明显或强度较小， 一旦出 现沿倾斜方向整个岩体结构下部支承区域破坏， 则会 导致工作面部分区域或整个工作面出现推垮性灾变; 在工作面中部区域， 岩体结构形成层位高于下部区 域， 低于上部区域， 构成岩体结构的岩块数量多、 跃层 区间多， 两种结构类型失稳均易发生， 除周期来压明 显外， 其他强度不等的来压活动比较活跃， 结构失稳 则可能导致工作面出现支架挤、 咬、 滑、 倒等灾变; 在 工作面上部区域， 岩体结构形成层位最高、 可供运动 移 空间最大 、 “R － S － F” 系统构成元素缺失或成 为 “伪系统” 的概率最大， 极易发生强度损失导致的 塌落型结构失稳， 有明显的冲击性［ 8 －9］。 3大倾角煤层开采力学模型及其空间特征 3. 1力学模型 根据以上大倾角煤层开采过程中岩体的基本力 学结构特征建立了大倾角煤层开采力学模型 图 3 ， 在工作面倾斜方向上， 结构破断后形成 “多铰拱” ， 且 该 “多铰拱” 在工作面沿倾斜的上、 中、 下部区域， 拱 脚 下部支撑点 的支承位置和约束条件不同， 主要 存在倾向堆砌和反倾向堆砌力学结构。一般情况下， 在工作面倾斜下部区域， 拱脚支承位置较低， 约束程 度较强; 在工作面的上部区域， 拱脚的支承位置最高， 约束程度最弱; 在工作面的中部区域， 拱脚支承位置 和约束程度居中。在工作面走向方向上， 结构破断和 运移方式类似于一般埋藏倾角的煤层， 以 “三铰拱或 类似于三铰拱” 的形式存在和运移。 图 3大倾角煤层开采力学模型 Fig. 3Mechanical model of steeply dipping seam mining 3. 2采场三维空间结构特征 基于大倾角煤层倾向与走向力学破坏特征， 建立 了大倾角煤层开采空间力学模型， 通过分析认为， 大 倾角煤层采场覆岩存在空间 “似壳” 结构 图 4 a ， 该结构倾向剖面 AA 图4 b 的非线性轮廓 包络 形状 可以用包含煤层倾角 α 、 开采高度 m 、 工作 381 煤炭学报 2010 年第 35 卷 面倾斜长度 l 、 顶板岩性 k 等参数的二次非线性函 数 f t α， m， l， k 0 表征。走向剖面 BB 图 4 c 可以用包含工作面支护特性 z 、 顶板岩性 k 、 工作面 长度 l 、 开采高度 m 等参数的二次非线性函数 fs z， m， l， k 0 表征。该 “似壳” 结构具有以下特征 图 4大倾角煤层开采覆岩 “似壳” 结构 Fig 4Homo- shell structure of steeply dipping seam mining 1 该结构承受着双重荷载作用， 即更深层次覆 岩的载荷与工作面支护系统载荷 支架工作阻力 作 用， 结构本身的重量与更深层次覆岩的载荷构成了 “ R － S － F” 系统中 “R” 的重量。 2 该岩体结构对工作面支护系统的作用主要 表现在通过中间介质 已变形、 破坏的部分围岩 给 工作面支护系统施加载荷。 3 提高支护系统初撑力， 促使结构在低位形 成。工作面覆岩空间岩体结构的形成性状与围岩性 质、 支护系统特性等因素直接相关， 提高工作面支护 系统的初撑力， 可以在一定程度上改变某一区域内围 岩的变形状态及结构岩块间的咬合关系， 一方面可以 促使岩体结构在较低层位的围岩内形成 对于大倾 角工作面沿倾斜上部区域， 这种改变效果尤为明 显 ; 另一方面可以加强对岩体结构支承部分围岩的 约束， 提高结构自身的稳定性， 从而使支护系统承受 较小的覆岩荷载。 4结论 1 大倾角煤层走向长壁开采时， 沿倾斜方向岩 层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构， 且岩层沿 倾向不同区域具有不同的破坏结构形式; 倾斜下部以 倾向堆砌结构为主， 两种结构形式均存在于倾斜中上 部岩层中。 2 大倾角煤层采场存在三维 “似壳” 结构， 其倾 向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、 开采高 度、 工作面倾斜长度、 顶板岩性等参数非线性二次函 数来表示。该结构稳定状态是影响工作面 “支架 － 围岩” 系统稳定性的主要因素。 参考文献 ［ 1］ 伍永平. 大倾角煤层开采 “R － S － F” 系统动力学控制基础研究 ［ M］ . 西安 陕西科学技术出版社， 2006. 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