覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究.pdf

／ 岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究 f t 西安科技学院李 石平五 ／ 中国矿业大学 钱鸣高 ，一 摘要在蝽最开采富含瓦斯厚煤层条件下，分析 了采动后覆岩关谴屉活动特征对裂隙带 分布彤 态的影响 ，首次提 出上覆岩层中破 断裂隙和嘉层裂隙贯通后在 空间彤成椭抛 带分布 胎 瓦 方 墨论 釜 关 键 词 _ 椭 _-牲 ---带 j 芝 苎 兰 生 1 言 缛 。 J 采场覆岩中的关键层未破断失稳前，将以Win k l e r 弹性地基结构形式产生挠曲下沉变形， 此时关键层下部产生不协调的连续变形离层，如有亚关键层存在，则局部破断后的关键层 或岩层组将形成砌体粱结构E ” ， 这将在主关键层下部产生非连续变形和连续变形之问的不 协调性离层 。 综放开采时采放高度的加大， 使垮落带和规则移动带高度增大 ， 上覆岩层活动范围增大， 其内所产生的离层裂隙和破断裂隙为煤岩体中瓦斯运移和聚积提供了通道和空间 。为有效治 理综放开采时的瓦斯超限等问题，有必要分析综放开采时覆岩裂隙带的动态分布特征。 在靖远魏家地矿、阳泉五矿的现场观测及大同、 石嘴山、铜川、韩城等局的调研中发现 富含瓦斯厚煤层综放开采时瓦斯超限最严重在初采期叫， 如阳泉五矿 8 2 0 4面初采时因绝对瓦 斯 涌出量达 9 7 m ／ r n i n而被 迫停 产 ，强风 2 4 0 0 m ／ rai n 力排瓦斯后才恢复生 产 ，因此综 放 前期覆岩采动裂隙带分布状态是本文的研究重点。 2 顶板初次来压前裂隙带的空间分布形态 相似模拟实验研究表明嘲，随综放面推进上覆岩层具有明显的依次向上发展分层运动的 破断与离层特征， 即覆岩存在采动裂隙带 ， 初次来压前其平面应力状态下的分布如图 1 所示， 而在空间上采动裂隙带外边界为一近似的椭 圆抛物面形状。 在 坐标 中，可用数学方程表示 本文详述了含裂缝的直接顶稳定性相料模拟实验设计的方法。实验结果表明，该方法先 进、简便、实用 尤其是新开发 了数据处理程序，对测得的所有数据自动处理，输出图形结 果，即直接顶变形位移场与网格图 该方法具有～定的实用价值和参考意义 参考文献 l 方新秋 ，高产高技蝽果面支架一围岩系统控制研究，中国矿业大学硬士学位、电支．】 9 9 9 4 4 1 9 9 9 ， №3 4 矿 山压力与项板管理 收稿 日期1 9 9 9 0 7 2 0 }责任编辑-- i l 维普资讯 ‘ 十 ‘ l j 式 中 ， 为椭 圆长 轴之 半 ，即综放面推进 距离之半， b为椭 圆短 轴之 半 ，即工作面长之半 图 2 ，c为岩层破断碎胀 系数 ，可 由实 验测 定 。 其几何意 义是 ， 2 6 长 的综放 面推过 2 n距 离时 ， 覆 岩采 动裂 隙中的穿 层破 断裂隙和岩层层面 离层 裂隙相互贯通 ， 在 空 间上 产生形 似椭 圆抛物 面的外部边 界 ，称 为外椭 抛 图I 初次来压前覆岩采动裂隙带分布 面；同时在实验中还观察到， 综放面推进一定距离后， 位于采空 区中部 的覆 岩采动裂隙基本被压实 ， 而 被压实 的边界亦可 用近似 的椭 圆抛物面描述 ，称为 内椭抛面 。 于是 在整个 采空 区上覆岩层 中， 内外椭抛面之间形成帽状采动裂隙带， 我们将此带称为椭圆 抛 物带 ，简称椭抛带 。 对于任意和n 、 b 同号的 h ， z h 和曲面的截痕是平面 z h 上 的椭 圆。 f 旦 ． 一 { 2 a h 。 2 b h一 2 【 一 图 2 椭 圆抛物 面几 何表 示 综 放开采意 义上 ， 0 ≤日， ，H， 为直 接顶垮落最大 高度 时，在煤岩层层面 上将形 成一个椭 圆。同样 ，与内椭抛面切割亦 有近似 椭圆出现 同理，在综放采场走向方向和倾斜方向的截面都呈抛物线性分布，其数学表达式分别为 一 ㈣ 【 C 一 和 ㈨ 【 3 主关键层对椭抛带的影响及其特征 主关键层在采场覆岩变形和破坏中起着最主要的控制作用，其在覆岩中的位置不同，将 直接影响到采动裂隙带的形状及特性 ，一般情况下可分三类 。 3 ． I 主关键层位 于椭抛 带上方 主关键层只控制着覆岩弯曲下沉带岩层，其上出现与地表沉陷相对应的多层岩层同步协 调变形 ，此时关键层 下的椭 抛带 上部 离层 裂隙较发 育、下部则有较多的破断裂 隙，参 见图 l 。 3 ． 2主关键层 切割椭抛 带 采场上覆岩层 内将不再形成 曲面轮廓 图 3 ， 整个 裂隙带呈椭球 台状 。 其主要 特点是 ， 关 键层下采 动裂 隙带较 为发 育 ，且 l 破 断裂隙为主 ，而 在关键层 上方 由于采 动影响及关键层 控 制作 用 ，将有较少 的离层裂 隙，但 主关键层 在覆岩活 动过程 中，亦 将产生变形甚 至破 裂 ，因 而其 中也存在破断裂 隙，仍可 与其 上离层裂 隙贯 通 ，为瓦斯 向上运 移提 供通道 。 矿 山压 力与顶扳 管理I 9 9 9№ 3 4 ． 4 5- 维普资讯 3 ． 3 充分采动后裂隙带层面的椭圆区展布 综放面经初次来压 周期来压等过程的充分采动后 ， 其疆岩椭抛带在某种岩体构成中可能消失，但采动裂隙 带层面展布的裂隙区仍为一近似的椭圆区， 如图4所示。 在分析多次模拟实验 中发现 ，空 间采 动裂 凉带 不是 恒定值， 而与综放面开采时的初次来压步距 L 0 和周期来 压步距 L 有密切关系。即切眼上方采空区裂隙带宽 约为初次来压步距 L o ， 而在工作 面上方裂隙带 宽 山 则是 变化的，其动态变化范两是 L z 2 厶 5 因此， 、A 的具体值可视不同开采边界条件 由弹 塑 性理 论 推 出嘲 ，并 可通 过相 似 模 拟 实验 测 出。工作面端头附近采空区上方裂隙带宽，则视周 边支承条件不同而有异，若在弹性地基上支承条件 相同时， 一岛，一般条件下 王 m 。 4 结语 图 3 主关键詹切割椭抛带分布 、＼＼ ～ ＼{ 二 ． ～ L j L 图 4 覆岩采动裂晾层区面椭圆区 1 覆 岩采动裂隙带并非传统认识 中的层状分 布 ，而是经破断裂隙与离层裂隙贯通后在初次来压前为椭抛带分布，层面切割为椭圆形裂隙 发育 区 2 裂隙带宽在初采边界处相当于初次来压步距， 在综放面上方则变化在 l ～2 倍的周期 来压步距之间，因而裂隙带是动态变化的。 3 覆岩主关键层对椭抛带的形成有重要影响，当关键层只控制弯曲下沉带岩层时，覆 岩栗动裂隙带是曲面轮廓较为连续的椭抛带，而当主关键层切割椭抛带后，整个裂隙带呈椭 球 台状 ，充 分采动下椭抛带可能 不存在 ，但层面上的椭圆裂隙区仍 有展布 a 4 走 向高抽巷布置 在覆岩采动裂隙带 内可充分抽排运移和聚积于此带 的瓦斯 ；抽放 钻 孔终孔位置打在椭抛带内可有效抽放瓦新，解决综放初期瓦斯严重超限问题a 参考文赫 】 钱呜高，缨协兴等．岩层控制中的关键层理论研究-煤炭学报- 。 9 6 _3 2 李树羁 1 ．综放开采匿岩括动髟响下瓦斯运移规律且控和-中国矿业大学博士论文 1 9 9 8 ,6 3 陈兜光，钱鸣高．中国煤矿采场 围岩控制．椽州一中国矿业大学出版杜- 9 9 收稿 日期1 9 9 9 --0 7 --l 3 f责任编辑 一川 作者简介孛树刚，】 9 6 3年生，剐教授．】 9 8 9年毕业于西安矿业学院，获学士及工荦硕士荦往 L 9 9 8年毕业干中国 矿 业大学，藏工学博士学位．现在西安科技学院采矿系从事安空技术厦工程学科的教学和科研工蚱炭表学术论文 篇一 ，4 6， 、 鹳9 ． № 3 矿山压力与项板管理 维普资讯