大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构.pdf

第 3 5卷第 8 期 2 0 1 0年8 月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF C HI N A C OA L S 0 CI E T Y Vo 1 ． 35 No． 8 Aug ． 2 01 0 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 0 0 8 1 2 5 2 0 5 大倾角煤层开采覆岩 空间倾斜砌体 结构 伍永 平 ， 解盘 石 ， 王 红 伟 ， 任世 广 1 ．西安科技大学 能源学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ．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7 1 0 0 5 4 摘要 以大倾角煤层走向长壁采场为研 究对象， 采用相似材料模拟 实验、 数值模拟和理论分析综 合方法， 分析 了采场顶板应力分布特征和变形破坏规律 ， 认为大倾角煤层采场顶板破断后形成 了倾 斜砌体结构， 该砌体结构以倾向堆砌和反倾向堆砌两种形式存在， 且沿工作面走向和倾向均具有不 同的分布特征 ， 该结构的非均衡运动是导致“ R S F ” “ 顶板一 支架一 底板” 系统失稳 的主导影响 因素， 同时， 该结构的运动形式 亦受到上覆未垮岩层的变形破坏影响。倾斜砌体结构不仅是 支护结 构的施栽体， 也是“ 似壳结构” 断裂失稳对工作面支护 系统作用的传力媒介 ， 对倾斜砌体结构的深 入研 究是探讨大倾 角煤层采场“ 主承载结构” 失稳致灾的关键。 关键词 大倾角煤层； 倾向堆砌 ； 反倾向堆砌； “ R S F ” 系统失稳； 主承载结构 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 1 文献标志码 A I n c l i n e ma s o n r y s t r uc t ur e a r o u nd t he c o a l f a c e o f s t e e p l y d i p p i ng s e a m mi n i ng W U Yo n g pi n g ， ， XI E Pa n s hi ， ， WANG Ho n g we i ， REN S hi g ua n g 。 1 ． S c h o o l ofE n e r g y E n g i n e e r i n g ， X i ’ a n U n i v e r s i ty ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ； 2 ． C h i n a K e y L a b o r a t o r y of W e s t e r n Mi ne E x p l o i t a t i o n a n d H a z a r d P r e v e n t i o n Mi n i s t ry of E d u c a t i o n ， X i ’ a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o lo g y ， x i ’ a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e r o o f s t r u c t u r e a r o u n d t h e c o a l f a c e i n s t e e p l y d i p p i n g s e a m ， t he t h e o r e t i c a l a n a l y s i s， p h y s i c a l s i mu l a t i o n e x p e r i me n t s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n we r e u s e d t o a n a l y z e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d mo v e me n t o f t h e r o o f ． Ac c o r d i n g t o t h e c o n c l u s i o n， t h e i nc l i n e ma s o n r y s t r u c t u r e wa s f o r me d a f t e r t h e r o o f f a i l ur e， o f wh i c h t h e d i p d i r e c t i o n pi l e a n d a n t i - d i p d i r e c t i o n t y p e s we r e ma d e， a n d di f f e r e n t d i s t r i b u t i o n o f t h e s t r u c t u r e wa s c o n c l u d e d a r o u n d t h e c o a l f a c e， t h e n o n d i r e c t i v e mo v e me n t wa s f o un d wh e n t h e c o a l f a c e i s mo v i n g f o r wa r d， wh i c h i s a l s o t h e ma i n r e a s o n o f t h e i ns t a b i l i t y o f “R S F”s y s t e m． At t he s a me t i me， t h e b e h a v i o r o f i n c l i ne ma s o n r y s t r u c t u r e i s a f f e c t e d by t h e u p p e r s t r a t a s t ru c t u r e wh i c h c a n b e d e fin e d a s t h e k e y l o a d b e a tin g s t r u c t u r e， t h e r e f o r e， t he i n c l i n e ma s o n ry s t r u c t u r e i s n o t o n l y l o a d e r o f t he s u p p o r t ， bu t a l s o l o a d me d i u m b e t we e n t h e s u p p o r t a n d t h e k e y l o a d b e a tin g s t ruc t u r e ． At l a s t ， t h e s t u d y o f t h e i n c l i ne ma s o n ry s t ruc t u r e i s t h e ke y p o i n t t o d i s c u s s me c ha n i s m o f t h e ke y l o a d -- b e a tin g s t ru c t u r e f a i l u r e a n d c a -- t a s t r o p h e ． Ke y wo r d s s t e e p l y d i p pi n g s e a m ； d i p d i r e c t i o n p i l e； a n t i d i p d i r e c t i o n p i l e； i ns t a b i l i t y o f ‘ ‘ R S F’ ’ s y s t e m ； t h e k e y l o a d be a r i n g s t ru c t u r e 大量的研究与实践表明 ， 开采大倾角煤层所 造成的采场顶板力学特征呈现非对称性 ， 破坏 、 运移 特征具有时序性和不均衡性等等 ， 但缺乏对大倾角煤 层破断顶板岩层 直接顶和老顶 空间结构特点及其 形成机理的深入认识和对空间结构与“ 支架一 围岩” 系统的相互作用特征、 失稳形式等问题进行系统地研 究 ， 使众多该类工程问题难以在理论和实践上达到较 好的统一， 既影响了生产过程 中的安全高效 ， 又制约 了该类煤层开采技术水平的进一步发展 ， 因此 ， 有必 要对大倾角煤层顶板空间结构及其施载机理等基本 问题进行研究。 1 倾斜砌体结构的形成机理 1 ． 1 大倾角煤层开采实验与矿压监测实践 通过大量的现场观测和实验研究 卜 m J 总结出大 倾角煤层走向长壁工作面顶板岩层破坏运移具有 以 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 5 责任编辑 常琛 基金项 目 教育部新世纪优秀人才支持计划 C E T 一 0 4 0 9 7 2 作者简介 伍永平 1 9 6 2 一， 男 ， 陕西汉中人 ， 教授 ， 博士生导师。E m a i l w u y p x u s t ． e d u ． c n 第 8期 伍永平等 大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构 F 特征 1 在大倾角煤层走 向长壁开采过程中 ， 工作面 直接顶的垮落和基本顶的周期来压在工作面倾斜方 向的上 、 中、 下部不 同步 ， 实验与现场实测表 明， 在一 般情况下， 工作面倾斜 中上部先垮落或先周期来压 ， 倾斜下部滞后于上部 ； 沿倾斜上方的顶煤或直接顶垮 落后 ， 会沿工作面倾斜方 向滚 滑 动 ， 最后堆积于工 作面下部 ； 工作面顶煤或顶板 的运移不对称 ， 在工作 面倾斜中上方较大 ， 下方较小 ； 工作面倾 斜上部岩层 的破坏方式表现为拉剪破 坏， 在下部表 现为压剪破 坏 ， 如图 1 a 所示。 a 直接顶破坏特征 b 基本] 贞破断特征 图 1 相似材料模拟实验 Fi g ．1 Ph y s i c a l s i mul a t i o n e x p e r i me n t s 2 上覆岩层的运移是一个空间问题 ， 包括了上 覆岩层垂直于层面的弯曲下沉 、 破断、 回转 ， 还包括沿 工作面倾斜方向和垂直于工作面倾斜方向的运移； 在 破断之前主要表现为弯曲下沉 ， 在破断之后主要表现 为沿工作面倾斜方 向的滚 滑 动 ， 如图 1 b 所示。 3 大倾角煤层走 向长壁工作面开采具有初次 来压和周期来压现象 ， 初次来压和周期来压强度 显 现程度 取决于顶板岩层 中“ 主承载结构” 采场空问 上覆未破坏的“ 似壳结构” 与破坏的“ 倾斜砌体结构” 的总称 ， 是大倾角煤层 采场特有的结构 的岩性、 厚度 组合厚度 、 上覆岩层荷载 、 “ 结构 ” 极 限稳定跨 距 以及“ 主承载结构 ” 形成 的层 位 距煤层 的距离 等 。与缓倾斜煤层开采时相 比， 在顶板 条件相 同时 ， 老顶来压的步距较大 ， 持续 时间较长 ， 但来压强度较 同样岩性及生产技术条件下的缓倾斜煤层要小 ， 如图 2所示 。 6 至 5 4 岛 3 芒 0 a 空间应力特 征 0 5 4I 65 5 0 6 6 4 3 4l 3 4 主 8 l 0 l 】 l 2 耳 写 辱 军 军 2 I 军 善 墨 墨 墨 墨 墨 日期 b 支架T作阻力特征 图2 数值模拟和矿压观测 F i g ． 2 N u me ri c a l s i mu l a t i o n a n d mi n e r a l pr e s s ur e ob s e r v a t i o n 1 ． 2倾斜砌体结构 的形式 大量的模拟实验和现场观测表明， 在大倾角煤层 走 向长壁开采过程中， 顶板岩层裂断后主要以两种形 式存在 1 倾向堆砌结构 ， 该结 构的形成过程 随着工 作面推进 ， 顶板岩层产生垂直裂 隙和离层裂 隙， 导致 顶板发生低位 裂断与分离 即直接顶板发生破坏 ， 裂断与分离后顶板在重力沿工作 面倾斜 向下分力作 用下产生下滑 ， 并与倾斜下方岩层挤压形成沿工作面 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 ； 随着工作面推进， 工作面上覆岩层在一定 范围内逐层裂断与分离， 形成高位岩层的倾向堆砌结 构 图3 a 。 图3 倾斜砌体结构 F i g ． 3 I nc l i ne ma s o nr y s t r uc t u r e 1 2 5 4 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年第3 5 卷 2 反倾 向堆砌结构 ， 该 结构形成过程 大倾角 煤层采场的覆岩活跃区域主要处于倾向中上部 ， 低位 岩层垮落下滑充填了采场倾斜下部采空范 围已成空 间， 使得下部形成较为稳定的结构 ， 同时亦为倾斜上 部高位岩层运移提供 了空间， 该范围上覆岩层发生裂 断与分离后易发生 以倾斜下方铰接部位为轴的回转 运动， 从而形成反倾 向堆砌 ； 此外 ， 在大倾角放顶煤开 采过程中， 由于煤层厚度较大 ， 煤体放 出的空间亦为 顶板岩层回转提供 了条件 ， 所 以， 放顶煤开采时也较 易形成反倾 向堆砌结构 图 3 b 。 2 倾斜砌体结构的分布特征 在大倾角走 向长壁综采 放 采场区域 内， 破坏 岩层均以倾斜砌体结构形式存在 ， 同时 ， 由于大倾角 煤层的倾斜赋存特征 ， 倾斜砌体结构沿工作面走向和 倾向方向的存在形式各具特点。 2 ． 1 沿工作面走向的分布特点 沿工作面推进方 向上 ， 顶板岩层垮落破坏与缓倾 斜煤层特征基本相似， 具有周期性破断特征 从煤壁 向采空区依次为结构活跃区、 过渡区和压实区。其中 活跃区主要位于工作面附近 ， 且沿工作面长度方向呈 不对称分布 ， 即该区域随着工作面倾向向下逐渐向采 空区偏离， 这主要是由于顶板岩层裂断与分离沿工作 面长度方向具有明显的时序性造成的； 过渡区域岩层 结构指的是裂断与离层特征不明显 、 且已趋于稳定的 岩层 ， 该岩层已对工作面未垮岩层和支护系统影响较 小 ， 仅起到对上覆岩层的支撑作用 ； 压实区岩层为已 稳定结构； 同时， 大倾角煤层采场走 向岩层结构特征 与缓倾斜煤层相同， 都存在“ 砌体梁” 结构 ， 但沿工作 面倾斜方向“ 砌体梁” 结构形成位置存在不一致性 ， 其中倾斜下部滞后于倾斜中上部区域 图4 a 。 2 ． 2沿工作面倾 向的分布特点 与走向分布特点相似 ， 沿工作面倾斜方向倾斜砌 体结构亦存在不同的形式 ， 倾斜 中上部为结构活跃 区， 该范围内倾向堆砌与反倾 向堆砌结构并存 ， 且岩 层运移活跃 ， 其中低层位岩层 以下滑运移为主， 高位 岩层易发生回转运动形成反倾向堆砌结构 ， 因此该区 域为顶板岩层控制的重要区域 ； 过渡区域处于工作面 倾斜方向中部偏下区域 ， 该区域岩层以倾向堆砌结构 为主， 该范围岩层在倾斜上部岩层挤压作用和上方岩 体重力的共 同作用下处于基本稳定状态 ； 稳定区岩层 处于倾斜下部区域 ， 即靠 近工作面运输巷范 围内顶 板 ， 该范围顶板破坏 以低层位裂断与离层为主 ， 在受 到倾斜上部岩层下滑挤压作用下 ， 该倾 向堆砌结构较 稳定 图 4 b 。 a 走 向 f b 倾 向 图4 倾斜砌体结构存在形式 F i g ． 4 Ty p e s o f i nc l i n e ma s o n r y s t r uc t u r e 3 倾斜砌体 结构 的运动特征 如上所述 ， 在大倾角煤层走 向长壁工作面倾斜砌 体结构发生明显运动的区域主要处于活跃区， 特别是 工作面倾斜 中上部 ， 支架上方的倾斜砌体结构的运动 过程是一个 “ 非均衡 ” 运动过程 ， 即顶板破断岩块 除 在垂直岩层层面 内运动 缓倾斜煤层工作 面顶板破 断岩块运动一般形式 外 ， 在平行岩层层面内也产生 运动。由于在垂直岩层层面 内顶板 的破断和运动是 非均衡的 破断岩块 的下沉一 回转一反 回转 ， 因此 造成顶板破断岩块在平行岩层层面内的运动随之产 生非均衡特征 破断岩块靠近采空区方向沿倾斜的 运动速度较大 ， 很显然 ， 这种在两个正交平 面内出 现的非均衡运动组合形成 了破断岩块的空间“ 非均 衡” 运动 图 5 a J 。同时 ， 该结构的运动形式亦 受到上覆未垮岩层的变形破坏影响， 倾斜砌体结构不 仅是支护结构的施载体， 也是似壳结构断裂失稳对工 作面支护系统作用的传力媒介。 假设倾斜砌体结构为刚体 ， 采场顶板岩层则是以 有限个倾斜砌体结构组成的刚体系统 ， 刚体之间则存 在着约束 。根据分析力学中刚体动力学原理可知 ， 在 力的作用下 ， 该结构的运动可以分解为随刚体上任意 参考点 P的平动和绕参考点 P的转动， 所 以， 可以用 刚体动力学普遍方程来描述其受力和运动特征， 即 』 6 d Fa d m 0 ， 其中， m为刚体的质量； 6 为刚 第 8 期 伍永平等 大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构 体上质点的虚位移 ； d F为作用于质点上的外力 ； a为 质点的绝对加速度 ； d m为质点的质量。 a 三维 窄间运动轨迹 C X O y 平面内运动轨迹 d X O Z 平面内运动轨迹 图5 倾斜砌体结构的空间非均 衡运动形态及轨迹 F i g ． 5 N o n d i r e c t i v e mo v e me n t f o r m a n d t r a c k o f t he i nc l i ne ma s o n r y s t r u c t u r e 0 】 、 0 2 、 一顶板破断岩块在沿层面 y o z 、 x o y 方 向和 垂直层 面方 向 X O Z 运动过程 中出现的 回转角 4 倾斜砌体结构与“ 顶板一 支架一 底板”系统 失稳 倾斜砌体结构的空间非均衡运动可能引发 的支 护系统失稳 ， 主要表现在 以下 3个方面 1 倾 向堆砌结构是工作 面开采空间顶板 的主 要存在形式 ， 该结构给工作面支护系统施加沿倾斜方 向的作用力 ， 且在局部区域内作用力的瞬间方 向和强 度不同， 加剧支架 支护系统 挤压 、 倾倒和 下滑运 动。 2 工作 面倾斜砌体结构 的非均衡移动 与充填 给中、 上部 区域 内的破断顶板 留下 了较大 的运 动空 间 ， 有可能在工作面中、 上部形成“ 空洞” ， 使 工作面 支护系统与顶板处于非接触状态 ， 造成系统元素“ 顶 板” 缺失 ， 不能构成“ 顶板一 支架一 底板” 系统 。 3 反倾 向堆砌结构形成后 ， 也会对支架系统产 生作用， 反倾 向堆砌结构本身对支架的反倾向推挤作 用 ， 同样 ， 受到上覆结构破 坏失稳 的冲击 作用 周期 来压等 ， 该结构会对支架产生反倾向冲击， 使支架 超载 、 压死或产生反倾 向倾倒。 5 结 论 1 在大倾角煤层走 向长壁采场中， 顶板裂断与 离层岩层易形成倾斜砌体结构 ， 该结构主要有两种形 式 ， 即倾向堆砌和反倾 向堆砌 ， 其 中采场大部分破断 岩层 以倾 向堆砌结构存在 ， 仅在工作面倾向方向中上 部 、 运移空 间较大的范 围内才会形成反倾 向堆砌 ， 与 缓倾斜煤层开采垮落岩层沿工作面倾 向形成的结构 不同。 2 倾斜砌体结构从煤壁 向采空 区依次 为结构 活跃区 、 过渡区和稳定压实区。 3 大倾角煤层采场走 向岩层结构特征 与缓倾 斜煤层相同， 存在“ 砌体梁” 结构， 但沿工作面倾斜方 向“ 砌体梁” 结 构形成位置存在不一致性 ， 其 中倾斜 下部滞后于倾斜 中上部区域 。沿工作面倾 斜中上部 位活跃 区， 中部偏下 区域为过渡 区， 下部区域为稳定 区 。 4 倾斜砌体结构 的运动过程是一个 “ 非均衡” 运动过程 ， 即垂直岩层层面内运动和平行岩层层面内 的运动复合运动。可以用刚体动力学普遍方程来描 述其受力和运动特征。倾斜砌体结构 的运动形式受 到上覆未垮岩层的变形 、 破坏 和运移影响， 也是主承 载结构变形破坏和运移对工作面支护系统作用 的传 力媒介。 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， 2 0 0 6 ． W u Yo n g p i n g ． S t u d y o n d y n a mi c s c o n t r o l l i n g b a s i s o f s y s t e m “ R S F ”i n s t e e p l y d i p p i n g s e a m m i n i n g [ M] ． Xi ’ a n S h a a n x i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y P u b l i s h i n g Ho u s e， 2 0 0 6． [ 2] 伍永平 ， 负东风 ， 张淼丰． 大倾角煤层综采基本 问题研究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 0， 2 5 5 4 6 5 4 6 8 ． W u Yo n g pi n g ， Yu n Do n g f e n g ， Zh a n g Mia o f e n g ． S t u d y o n t he e l e me n t a r y p r o b l e ms o f f u l l me c h a n i z e d c o a l mi n i n g i n g r e a t e r p i t c h i n g s e a m[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 0， 2 5 5 4 6 5 4 6 8 ． [ 3 ] 石平五． 急斜煤层老顶破断运动的复杂性 [ J ] ． 矿 山压力 与顶 板 管理 ， 1 9 9 9 3 2 6 2 8 ． S h i P i n g w u． Th e c o mp l e x i t y o f mo v e me n t o f b r o k e n o v e r l y i n g s t r a t a i n s t e e p c o a l s e a m mi n i n g [ J ] ．J o u r n al o f G r o u n d P r e s s u r e a n d R o o f C o n t r o l ， 1 9 9 9 3 2 6 2 8 ． [ 4 ] 伍永平 ， 解盘石 ， 任世广 ， 等． 大倾 角煤层群 开采岩移 规律数值 模拟及复 杂性 分 析 [ J ] ． 采矿 与安 全 工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 3 9 2- 3 9 5． W u Yo n g p i n g， Xi e P a n s h i ， Re n S h i g u a n g， e t a 1 ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n a n d c o mp l e x i t y a n aly s i s o f s t r a t a mo v e me n t i n e x p l o i t i n g s t e e p c o a l s e a m s g r o u p [ J ] ． J o u r n a l o f M i n i n g＆ S a f e t y E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 3 9 2 3 9 5 ． [ 5] Wu Y o n g p i n g ， X i e P a n s h i ． T h r e e - d i m e n s i o n a l s t r a t a m o v e me n t a r o u n d c o a l f a c e o f s t e e p l y d i p p i n g s e a m g r o u p [ J ] ． J o u rn a l o f C o a l S c i e n c e＆E n g i n e e ri n g C h i n a ， 2 0 0 8 ， 1 4 3 3 5 2 - 3 5 5 ． [ 6 ] 黄建功． 大倾 角煤层 采场顶板 运动结构分析 [ J ] ． 中国矿业大学 1 2 5 6 煤 炭 学 报 2 0 1 0 年 第3 5 卷 2 0 1 1年 J O U R N A L OF C O A L S C I E N C E＆E N GI N E E R I N G C HI N A 煤炭学报 英文版 征订启事 J O U R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C H I N A 是 由中国煤炭 学会主办的、 向国内外公开发 行的英文版煤炭科 学技术方面的综合性 学术刊物。主要刊载煤田地质与勘探 、 煤矿开采、 矿山测量、 矿井建设、 煤矿安全、 煤矿机械工程、 煤矿 电气工程、 煤炭加工利用、 煤矿环境保护等方面的科学研 究成果论著和学术论 文， 以及煤矿生产建设、 企业管理经验的理论总结， 也刊载重要学术 问题的讨论及 国内外煤炭科学技术方面的 学术活动简讯。 煤炭学报 英文版 J 0 u R N A L O F C O A L S C I E N C EE N G I N E E R I N G C H I N A 是 向世界传播 我 国煤炭 科 学技术的重要媒体 ， 对加 强中外科学技术交流， 宣传我国煤炭科学成就， 提 高我 国煤炭科 学技术的国际地位 将起到重要的作用。及时报道我 国煤炭科技新理论、 新技术、 新经验也是 煤炭学报 英文版的主要任务。 煤 炭 学报 英文版和 中文版具有不同的刊登内容和各 自的特点。 煤炭学报 英文版为季刊 ， 每期 l l 2页， 每册国内订价 2 8元 ， 全年共收费 1 1 2元。订阅者可直接和本编辑 部联系， 订单函索即寄， 编辑部随时办理订阅手续。 本千 U 地址 北京市和平里煤炭科学研究总院内 煤炭学报 编辑部 邮政编码 1 0 0 0 1 3 联系电话 0 1 0 8 4 2 6 2 9 3 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