开采速度对综放面围岩力学特征影响研究.pdf

第 2 9卷 2 0 0 7笠 第 7期 7月 岩 土 工程 学报 C hi n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c al E n g i n e e r i n g V o 1 ． 2 9 N o ． 7 J u l y ， 2 0 0 7 开采速度对综放面围岩力学特征影响研究 谢广祥，常聚才，华心祝 安徽理工大学资源开发与管理工程系 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要以谢桥矿 1 3煤层综放工作面工程地质和开采技术条件为背景，应用计算机数值模拟和实验室相似材料模拟， 对不同推进速度下综放面围岩应力、位移、破坏情况进行了深入分析，研究了工作面推进速度对综放开采安全生产的 影响 研究结果表明随着工作面推进速度增加，工作面低应力区和周围煤岩体破坏区的范围以及位移都相应减小， 而前方支承压力峰值位置向工作面煤壁靠近，峰值应力增大。现场生产实践适当加快工作面推进速度，有利于保持巷 道的稳定性和改善巷道维护状态，但是应做好监测工作，防止岩爆等动力灾害的发生，确保井下安全生产的正常进行。 关键词综放面；推进速度；围岩；力学特征 中图分类号T U4 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 4 5 4 8 2 0 0 7 0 70 9 6 3 0 5 作者简介谢广祥 1 9 5 8一 ，男，安徽金寨人，博士，教授，博士生导师，主要从事采矿工程方面的教学与科研工作。 E ma i l c j c m i n e c o al1 6 3 ． c o m。 I n flu e n c e o f mi n i n g v e l o c i t y o n me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r r o u n d i n g r o c k i n f u l l y me c h a n i z e d t o p - c o a l c a v i n g f a c e XI E Gu a n g - x i a n g ， C HANG J u - c a i ， HUA Xi n - z h u An h u i Ull i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Hu a in an 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Nu me ric a l s i mu l a ti o n a n d e q u i v ale n t ma t e rial s i mu l a ti o n we r e c a r r i e d o u t t o analy z e t h e s t r e s s ，d i s p l a c e me n t and f a i l u re w i th dif f e r e n t c o al wi n n i n g v e l o c i ti e s b a s e d o n e n g i n e e ri n g g e o l o g y and e x p l o i t a ti o n t e c h n o l o g y o f 1 1 5 1 3 f u l l y me c h ani z e d t o p c o al c a v i n g F MT C f a c e i n Xi e q i a o c o l l i e r y ． A t the s a me ti me i n fl u e n c e o f m i n i n g v e l o c i t y o n s a f e t y o f the F M TC f a c e wa s i n v e s t i g a t e d ． W i th the i n c re a s e o f mi n i n g v e l o c i t y ， the a r e a o f l o w s tr e s s z o n e ， the r an g e o f f a i l u r e z o n e an d dis p l a c e me n t a t the F M TC f a c e d e c r e a s e d ． Th e dis t an c e b e t we e n the f a c e an d th e p o s i tio n o f the p e a k v alu e o f a b u t m e n t p res s u r e d e c r e a s e d ， b u t the p e a k v alu e o f a b u tm e n t p r e s s u re i n c r e a s e d． T o i n c rea s e the mi n i n g v e l o c i ty p r o p e r l y c o u l d b e o f g r e a t a d v ant a g e t o k e e p the r o a d wa y s t a b l e and t o i mp r o v e t h e ma i n t e n anc e o f the r o a d wa y ． I n o r d e r t o e n s u r e the s afe ty i n p r o d u c t i o n ， mo n i t o r i n g me a s u r e s s h o u l d b e c a r r i e d o u t t o p rev e n t mc k b u r s t ． Ke y wo r d s f u l l y me c h a n i z ed t o p - c o al c a v i n g f a c e ； mi n i n g r a t e ； s u r r o u n din g r o c k； mec h an i c al c h arac t e ris ti c s 。 ■ ‘_ 。 一 O 月 U 吾 加大开采工作面 的推进速度 ，无疑对提高工作面 的单产有积极的作用 。理论和实践表 明综放工作面 的推进速度是影响工作面 围岩应力重新分布的主要因 素之一。近年来，国内外学者对此 问题进行了一定的 研究【 l ， 研究认为提高工作面推进速度可 以有效地延 长工作面周期来压步距 ，减 小来压次数，可以最大限 度降低来压对安全生产的危害，并通过数值模拟研究 了开采速率对综放面围岩应力的影响规律 。然而生产 实践不单受工作面应力的影响，还受位移 、破坏范围 的综合作用。因此，需进一步深入研究推进速度对综 放面应力、位移、破坏的影响规律，为现场选择合理 的推进速度提供有利依据 。 1 工作面地质条件 谢桥矿 1 3 煤层某综放面走向长 1 6 7 4 IT I ，倾向长 2 3 1 ． 8 I T I ，地面标高为 2 0 ． 4 2 5 ． 8 I T I ，工作面标高 一 5 8 8 ～一 6 6 2 I T I ，该面 回风顺槽布置在上区段采空区 1 1 4 1 3 侧。平均煤厚为 5 ．4 IT I ，煤层倾角 1 2 。 ～ 1 5 。 ，平均 l 3 。 ，采放比为 1 1 ～1 1 ． 0 8 。该面煤层 结构稳定，但普遍发育二层炭质泥岩或泥岩夹矸。煤 层的顶底板情况如下 老顶为粉、 细砂岩， 厚度 6 ． 2 I T I 直接顶为泥岩或砂质泥岩和 1 3 2 煤，厚度 3 ．2 6 m直 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 课题 2 0 0 5 c b 2 2 1 5 0 3 ；国家 自然科学基金资助项 目 5 0 6 7 4 0 0 3 ；“ 十一五”国家科技支 撑计划重点资助项 目 2 0 0 6 B A K 0 3 B 0 6 收稿 日期2 0 0 6一o 6 2 6 维普资讯 9 6 4 岩土工程学报 2 0 0 7年 接底为泥岩， 厚度 1 ． 5 m； 老底为粉砂岩， 厚度 2 ． 8 m。 2 数值模拟研究 2 ． 1 数值模拟模型的建立 依据 F L A C D 建模原则，采用莫尔 一 库仑 Mo la r C o o mb 屈服准则判断岩体的破坏、应变软化模 型反映煤体破坏后随变形发展残余强度逐步降低的性 质。为研究方便，取垂直方 向 1 2 3 ． 6 7 m，煤层的走 向 2 4 0 m建立模型。 考虑研究需要，单元基本按 0 ．5 m 0 ． 5 m划分，模型划分为 4 8 0 2 4 8 1 1 9 0 4 0个网格， 约 1 ． 2 1 0 个 结点 图 1 。模型两侧设置水平约束， 模型底侧固定、顶面加 自重荷载。其中重点研究模型 中间 2 0 m在不 同计算方案下 的力学特征。 图 1计算模型 简图 F i g ． 1 S c h e m a t i c p l o t o f t h e n u me r i c al mo d e l 2 ． 2 计算方案的设计 开采速度对综放面围岩力学特征的影响，可以通 过精确的控制开挖 以及回填语句来实现 。在这里认为 每一个开采步骤都是准静力学过程 ，让每一次开采、 回填后迭代充分。计算方案如表 1所示 。 表 1开采速度对综放面围岩力学特征影响的方案设计 Ta b l e 1 Nu me r i c a l s c h e me t o s t u d y i n flu e n c e o f mi n i n g v e l o c i ty o n me c h a n i c al c h a r a c t e ri s t i c s o f r o c k 2 ． 3 数值模拟结果 1 破坏场分析 图 2为不 同单位开采截深下的破坏场， 可以看出 从整体来看，4个方案的塑性区破坏区主要分布在工 作面前方和 冒落区，并且在工作面前方都出现一条线 状破坏带 ， 在破坏带以内的岩石基本破坏或达到塑性， 而在这条破坏带以外岩石基本没有破坏或破坏区域很 小。 随着单位开采截深 的增大，这条破坏带距工作面 的距离越来越近，与之相对应，工作面周围的破坏区 和塑性区的面积随单位开采截深的增加而减 小，显然 岩石进入塑性区后所能承担 的应力减小 。 a 方案 A破坏场 b 方案 B破坏场 c 方案 c破坏场 d 方案 D 破坏 场 图 2单位开采不同截深对破坏场的影响 Fi g ． 2 F a i l u r e f i e l d s wi th d i ffe r e n t mi n i n g r a t e s 2 应力场分析 图 3为不同单位开采截深下主应力场的对 比图。 从图 3中可 以看 出，随着单位开采截深 的增加，工作 面及 冒落带附近的低水平应力区面积减小，垂直应力 场中最显著的特征就是在工作面前方形成盾状的高应 维普资讯 第7 期 谢 广 祥， 等 ． 开 采速 度 对 综 放 面围 岩 力 学 特 征影 响 研 塞 竺 力区，在其 中心 出现峰值应力。并且随着单位开采截 深的增加工作面前方峰值应力增大，而峰值位置距工 作面的距离却在减小。这也说明虽然随着单位开采截 深的增加，工作面周围围岩破坏 区面积减小，但这些 未破坏的围岩 内却聚集 了大量的弹性能，当这种弹性 能大到一定程度时可能使围岩发生破坏 ，导致岩爆等 动力现象，对现场安全生产增加了一定的困难。 a 方案 A最大主应力场 b 方案 B最大主应力场 c 方案 C最大主应力场 d 方案 D最大主应力场 图3单位开采不同截深对最大主应力场的影响 F i g ． 3 T h e ma j o r p ri n c i p a l s t r e s s fi e l d s wi t h d i ff e r e n t m i n i n g r a t e s 3 位移场分析 图4 为不 同单位开采截深下的位移矢量场 。 可 以发 现 ， 随着单位 开采截深的增加，工作面最大水平位移、 顶板最大垂直位移减小，即周围岩体的位移量减小。 a 方案 A位移矢量场 b 方案 B位移矢量场 c 方案 c位移矢量场 d 方案D位移矢量场 图 4单位开采不同截深对位移场的影响 F i g ． 4 Th e d i s p l a c e me n t fi e l d s wi t h d i ffe r e n t mi n i n g r a t e s 维普资讯 9 6 6 岩土工程学报 2 0 0 7笠 3 ’相似材料模拟研究 3 ． 1 模拟模型设计 为了观测 3种不同推进速率 分别为慢速推进 2 ． 4 m／ d ；正常推进 4 ． 8 m／ d ；快速推进 9 m／ d 开采下的矿 压显现规律，在模型中主要埋设了应力测点和位移测 点。 在煤层层面上、直接顶及基本项中布置应力测点， 用 以观测在不同推进速率下的煤层 、直接顶和基本顶 中的应力分布以及变化情况；位移测点分别布置在直 接顶和基本顶岩层中，用 以观测上覆岩层的位移和下 沉速率 。 3 ． 2 模拟结果分析 1 不同推进速率顶板位移特征分析 3种推进速率下的项板下沉特征如图 5 、6所示， 可以看出随着工作面推进速率的加快，工作面支架 控项区内顶板下沉量和下沉速率均呈较小趋势，特别 是推进速率较快时， 顶板下沉量和下沉速率明显减小。 快速推进时，项板下沉速率具有突变点，例如测点在 距离煤壁 7 m左右时，顶板下沉速率很快 ，直到顶板 发生垮落，表明工作面快速推进时，顶板垮落具有突 发性特点。 测点距工作面的距离／ m 一1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 2 0 一 一 ＼ 4 0 目6 0 ． _ _ 一般推进 8 0 一 快速推进 1 0 o - 一慢速推进 1 2 0 图 5 3种推进速率下顶板下沉量比较 F i g ． 5 Co mp a r i s o n o f r o o f c o n v e r g e n c e wi t h d i ffe r e n t mi n i n g r a t e s 测点距工作面距离／ m 一1 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 2 0 _ 、 一h 快速推进叠 一 一 ＼ 1 蔓速 推 进 蹿 图 6 3种推进速率下顶板下沉速翠 比较 F i g ． 6 Co mp a r i s o n o f r o o f c o n v e r g e n c e r a t e wi t h d i ffe r e n t mi n i n g r a t e s 2 不同推进速率工作面前方煤体应力分布规律 3种推进速率下工作面前方煤体应力分布规律图 7所示，可 以看 出快速推进 时，工作面前方峰值应 力最大，而峰值位置越靠近工作面。因此，随着工作 面推进速率的加快，工作面前方煤体应力峰值增大， 峰值位置距工作面的距离减小 。 0 20 40 6 0 8 0 1 0 o 1 2 0 1 40 1 6 0 1 8 0 测点距工作面距离／ m 图7 3种推进速率下工作面前方煤体应力比较 F i g ． 7Co mp a r i s o no f s t r e s s i nf r o n t o f f a c ewi th d i ffe r e n t mi nin g r a t e s 3 岩体破坏规律分析 图 8为工作面推进到一定距离时岩层移动变形情 况，可 以看 出在工作面前方出现一条线状破坏带，在 破坏带 以内的岩石基本破坏，而在这条破坏带以外岩 石基本没有破坏或破坏区域很小。这与计算机数值模 拟十分吻合。 图 8岩层移动 变形 图 F i g ． 8 M o v e me n t a n d d e f o r m a t i o n o f s tra t a 通过模拟可以看出，适当加快工作面推进速率， 减少工作面在 同一位置的滞 留时间，有利于保持巷道 稳定性和巷道维护、工作面管理 ，对保证安全生产具 有一定的意义。同时也必须认识到，在工作面前方高 应力区的存在，这个高应力区随着推进速度的增加向 工作面靠近 ，岩体中高应力区体现为岩体积累了大量 的弹性能。过高的弹性能聚集可能在井下诱发岩爆等 动力灾害的产生。因此，现实生产中在尽量提高推进 速度 的同时，还应当对地下岩石的力学特性进行必要 的试验研究，并且做好井下的现场监测，确保井下安 全生产的正常进行。然而，影响现场安全生产的因素 还有施工组织、回采工艺、设备运转可靠性、通风系 统以及生产工人的熟练程度等等。切实结合这些因素 综合考虑和确定推进速度与安全生产和生产效益最大 化之间的关系，合理的提出一个适 当的推进速度，使 工作面达到高产高效。 柏 ∞ ∞ 2 m O 毒害、 醒 维普资讯 第 7期 谢广祥，等．开采速度对综放面围岩力学特征影响研究 9 6 7 4 结 论 1 开采扰动在工作面前方和上方 引起 围岩破 坏，并在工作面前方形成一条线状破坏带，随着推进 速度的增加，这条线状破坏带向工作面靠近 ，导致工 作面周围岩体破坏范围减小。 2 随着推进速度 的加快 ， 工作面前方支承压力 峰值增大 ，峰值位置越来越靠近工作面 ，在工作面上 方出现低应力区范围减小 。 3 开采扰动引起工作面周边围岩移动， 随着推 进速度的增加，周围岩体的位移量减小。 4 现场生产 中适 当提高推进速度， 有利于巷道 维护与保持巷道稳定性，对降低生产成本、保证生产 安全都有一定意义 ，同时要对地下岩石的力学特性进 行必要 的试验研究 以及做好现场监测工作，防止岩爆 等动力灾害的发生 。 参考文献 【 1 】陈通．综采工作面推进速度与周期来压步距关系分析[ J ] ． 煤矿开采， 1 9 9 9 1 3 3 3 5 ． C H E N T o n g ． An a l y s i s o f r e l a ti o n b e t we e n mi n i n g v e l o c i t y a n d p e ri o d i c we i g h ti n g s p an i n f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g f a c e [ J ] ． C o al Mi n i n g T ech n o l o g y , 1 9 9 9 1 3 3 3 5 ． i n C h i n e s e [ 2 】韩卫清．综采工作面矿压监测的实践分析[ J 】 ．山西建筑， 2 0 0 4 5 1 3 01 3 1 ． HA N We i q ing ． P r a c ti c e and a p p l i c a ti o n an a l y s i s o f g r o u n d p r e s s u r e mo n i t o rin g i n f u l l y m ec h an i z e d min i n g f a c e [ J ] ． S h anx i Ar c h i t e c t u r e ， 2 0 0 4 5 1 3 01 3 1 ． in C hin e s e 【 3 】李德海，高木福． 开采速度与地表移动变形的关系探讨[ J 】 ． 煤炭科学技术，1 9 9 6 6 5 25 9 ． L I De ． h a i ， G AO Mu f u ． Di s c u s s i o n a b o u t r e l a t i o n s hip b e t ween a d v anc i n g s p eed an d s u r f a c e s u b s i d e n c e [ J ] ． C o a l S c i e n c e and T ech n o l o g y , 1 9 9 6 6 5 2～5 9 ． inC h i n e s e [ 4 】王金安，焦 申华，谢广祥．综放工作面开采速率对 围岩应 力环境影响的研究[ J 】 ．岩石力学与工程学报，2 0 0 6 ， 2 5 5 1 7 ． WA NG J i n a n ， J I A O S h e n h u a ，XI E G u ang x i ang ． S t u d y o n i n f l u e n c e o f mi n i n g r a t e o n s t r e s s e n v i r o n me n t i n s u r r o u n d i n g r o c k o f mech ani z e d t o p c a v i n g mi n i n g f a c e [ J ] ． Chin e s e J o u r n al o f Ro c k Me c h a n i c s an d En g i n e e rin g ， 2 0 0 6 ， 2 5 5 1 7 ． i n C h i n e s e 第 8 届全国桩基工程学术年会二号通知 论文录用 中国土木工程学会土力学及岩土工程分会桩基础学术委 员会、中国工程建设标准化协会地基基础专业委员会与上海市 力学学会岩土力学专业委员会将于 2 0 0 7年 9月 1 2 1 4日在上 海召开第八届全国桩基工程学术年会， 对我国近年来在桩基工 程领域的最新研究进展进行广泛的学术交流。 本次会议共收到投稿论文 1 9 8篇， 会议学术委员会邀请国 内桩基理论研究、设计、施工和检测方面的专家对稿件进行评 审，会议最终确定录取稿件 1 0 0篇。录用情况已于 2 0 0 7年 5 月 1 5日通知论文作者，本次会议论文集将以 土木工程学报 增刊形式发表。 一 ． 会议专题 ①桩基标准与规范 桩基工程新编规范 国家、 行业、地方标准 介绍； ②桩基基本理论及科研成果 桩基 单 桩、群桩、抗拔桩、桩负摩阻力等 的承载性状，桩基承载力 与变形计算分析理论和方法，特殊条件桩基理论研究问题，桩 基和邻近建 构筑物施工的相互影响分析，复合桩基理论研 究；③桩基设计重大工程桩基设计介绍与分析，新桩型及后 注浆灌注桩的应用及相关设计问题，特殊条件下桩基础设计方 法介绍；④桩基施工桩基施工新工艺、新工法，桩基施工常 见事故现场处理及实例，复杂工程施工技术，大直径桩、超长 桩、特殊条件下桩基施工经验；⑤桩基检测基桩检测分析方 法的探索与研究， 地区基桩现场监测分析， 静载试验资料分析。 联系人李大展；地址北京市北三环东路 3 0号中国 建筑科学研究院地基所；邮编1 0 0 0 1 3 ；电话0 1 0 - 6 4 5 1 7 5 8 5 ； 传真0 1 0-8 4 2 8 3 0 8 6 E - ma i h l i d a z h an2 2 1 6 3 ． c o m。 现化集团华东建筑设计研究院有限公司供稿 维普资讯