不同开采条件下采动力学行为研究.pdf

第 3 6卷第 7期 2 0 1 1年 7月 煤 炭 学 报 J OURN AL O F C HI NA CO AL S OC I E T Y V0 1 ． 36 J u l y No． 7 201 1 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 0 7 1 0 6 7 0 8 不 同开采条件下采动力学行 为研 究 谢和 平 ， 周 宏伟 ， 刘建 锋 ， 高 峰 ， 张 茹 ， 薛 东 杰 ， 张 勇 1 ．四川大学 水利水电学院 ， 四川 成都6 1 0 0 6 5 ； 2 ．中国矿业大学 北京煤炭资源与安全开采国家重 点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 通过分析 3种典型开采条件下 放 顶煤 开采、 无煤柱开采与保护层开采 工作面支承压 力 分布规律 ， 揭 示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征 ， 获得工作 面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件 ， 据此进一步开展 了不 同开采条件下煤体采动力学行 为的 实验研究。通过升高轴向应力的同时降低 围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平 应力， 获得 了3种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数 ， 以及不 同开采 条件下煤体破坏时的支承压力、 水平应力、 变形等的差异， 同时揭示了工作面前方煤体的采动力学 行为与开采条件的关 系。 关键词 开采条件 ； 采动力学； 放顶煤开采 ； 无煤柱 开采； 保护层开采 中图分类号 T D 3 2 5 文献标志码 A M i ni n g i n du c e d me c ha n i c a l b e ha v i o r i n c o a l s e a ms u nd e r d i f f e r e nt m i n i n g l a y o ut s X I E H e ． p i n g ， Z H O U Ho n g w e i ， L I U J i a n f e n g ， G A O F e n g ， Z H A N G R u ， X U E D o n g - j i e ， Z H A N G Y o n g 1 ． C o l l e g e of H y d r a u l i c a n d H y d r o e le c t r i c E n g i n e e r in g， S ic h u a n U n i v e r i s ty， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o J C o a l R e s o u r c e s a n d s t y Mi n i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e lti n g ， B e lti n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Abs t r a c t By s u mmi n g u p a p r o p e r t y o f t h e a b u t me n t p r e s s u r e a t l o n g wa l l c o a l f a c e u n d e r t h r e e t y p i c a l mi ni ng l a y o u t s， i ． e ．， t o p c o a l c a v i ng， n o n p i l l a r mi n i n g a n d p r o t e c t e d c o a l s e a m mi n i n g， s o me g e ne r a l mi n i n g i n d uc e d me c ha n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s ma g n i t u d e a n d l o c a t i o n o f p e a k s t r e s s o f a b u t me n t p r e s s u r e we r e p r o p o s e d ． F u r t h e r mo r e ， a s t r e s s s t a t e o f c o a l i n t h e f r o n t o f mi n i n g f a c e wa s s u g g e s t e d t o d e t e r mi n e t h e l o a d i n g a n d u n l o a d i n g p a r a me t e r s f o r a l a b o r a t o r y s t u d y s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t m i n i n g l a y o u t s ． T h e v e r t i c a l s t r e s s i ． e ． ， a n a b u t me n t p r e s s u r e a n d t h e h o r i z o n t a l s t r e s s o f c o a l i n t h e f r o n t o f l o n g - wa l l mi n i n g f a c e we r e s i mu l a t e d b y i n c r e a s i n g t he a x i a l s t r e s s a n d de c r e a s i n g t h e c o n -- fin i n g p r e s s u r e s i mu l t a ne o u s l y i n a c o n v e n t i o n a l t r i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t ． As a r e s u l t ， a mi n i n g - i n d u c e d me c h a n i c a l b e h a v i o r s u c h a s s t r e s s s t r a i n c u r v e s a n d p e a k s t r e s s e s a s we l l a s t he d i f f e r e n c e s o f v e r t i c a l s t r e s s ， h o r i z o n t a l s t r e s s a n d de f o rm a t i o n o f c o a l s a mp l e s a mo n g t h r e e t y pi c a l mi n i n g l a y o u t s a r e o b t a i n e d． Ad d i t i o na l l y， a r e l a t i o n b e t we e n t h e mi n i n g i nd u c e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o a l i n t h e f r o nt o f c o a l mi n i n g f a c e a n d t y pi c a l mi ni ng l a y o u t s i s s u g g e s t e d． Ke y wo r d s mi n i n g l a y o u t ； mi ni ng i n d u c e d me c h a n i c s ； t o p c o a l c a v i n g； n o n p i l l a r mi n i n g； p r o t e c t e d c o a l s e a m mi n i n g 采动力学常指由于采动引起上覆岩层大范围移 动和应力重分布 ， 特别是工作面前方煤岩体的承载应 力变化。长期以来， 采煤工作面周围尤其是工作面前 方支承压力分布规律的研究一直是采矿工程学科研 究的核心内容， 也是工作面顶板控制和顶板管理的基 础。事实上， 在不同开采方式下， 工作面前方煤岩体 经历 了从原岩应力 、 轴 向应力 Or 一 o r 升 高而围压 or 递减 卸载 到破坏卸荷的完整采动力学过程 。 支承压力 s t r a t a p r e s s u r e 的概念提供 了开采过程 中 煤岩体所处的采动力学环境条件 ， 对工作面与巷道支 护阻力选择、 防止顶板冒落等发挥了重要作用。但如 何将支承压力概念用于对应分析工作面前方煤岩单 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 2 0 责任 编辑 王婉洁 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 1 C B 2 0 1 2 0 1 ； 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 7 ； 国家自然科学基金 资助项 目 5 0 6 7 4 0 9 2 作者简介 谢和平 1 9 5 6 一 ， 男， 湖南双峰县人， 中国工程院院士。E - m a i l x i e h p S C U ． e d u ． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年 第3 6 卷 元体 的真正采动引起的受力状态 、 并进一步进行针对 性的理论分析和实验研究 ， 国内外学术界 尚未涉及。 目前有关煤岩体力学的基本理论均是根据岩 石力学 假三轴实验 C T C T e s t C o n v e n t i o n a l T r i a x i a l C o mp r e s s i o n T e s t 获得的全应力应变曲线， 来分析和描述煤 岩体的基本力学行为和损伤破坏过程 ， 这仅属于煤岩 体材料层面的本征力学行为， 并不能代表煤岩体在采 动过程 中的力学行为 ， 即采动力学行为。因此要研究 深部开采下的煤岩体变形破坏规律和力学行为 ， 则必 须探索深部开采导致 的应力状态下煤岩体单元 的受 力环境和条件 ， 以便针对性地开展煤岩体的采动力学 实验 ， 使得煤岩体 的实验结果能真正对应不同开采方 式条件下 的采动力学行为。 因此 ， 在煤岩假三轴实验过程 中模拟和再现工作 面前方煤岩体所经历 的完整支承压力变化过程 ， 不仅 可更好地揭示在开采引起的采动力学条件下煤岩体 的变形破坏规律， 而且可以考虑不同开采条件下工作 面前方煤岩体的变形破坏引起的差异和特征， 并可以 使实验过程更具针对性、 实验结果更有借鉴意义和参 考价值 。在此前 提下 ， 如何 根据支 承压 力的共性 特 征 ， 在三轴实验 中模拟 峰值点应力大小 、 轴 向和横 向 应力 比例 ， 就成 了必须面对的关键 问题 。本文正是在 这一思路下， 根据深部开采所处的应力环境， 提炼出 无煤柱开采 、 放顶煤开采与保护层开采 3种典型开采 布置条件下矿山压力的个性特征， 以确定三轴实验中 煤岩体的峰值应力大小、 轴向一 横向应力比例等关键 参数， 从而在三向等压条件下， 通过升高轴向应力的 同时降低 围压的方式来模拟铅垂应 力和水平应力 的 变化 ， 进一步针对性地实现 3种典型开采条件下工作 面前方煤岩体的采动力学行为研究 。 1 不 同开 采条件 下支承压力规律分析 长壁工作面开采将 引起上覆岩层大范围移动 和 岩层应力重分布。采 动过程 中上覆岩层大范围移动 在有限空问制约下 ， 形成 了不同形式 的结构模式 ， 产 生 了各种假说 ， 其 中比较著名的假说 如悬臂梁假说 、 铰接岩块假说、 预生裂隙假说等等， 无疑对认识工作 面矿压显现规律起到了十分重要的作用。钱鸣高 等 提出的砌体梁模型以及关键层理论 ， 在 国内外 产生了重要影响 ， 不仅使我国的采场矿压研究在 国际 上占有了 重要地位， 而且对 2 0 世纪8 0年代我国全面 推广综合机械化开采产生了积极而深远的影响。 工作面周围支承压力是上覆岩层结构及动态演 化过程的综合体现 ， 与上覆岩层 的分层力学性质和几 何特性有关 ， 国内外一些学者深入探讨了某些具体条 件下煤层上压力 的分布规律 ， 揭示了煤层厚度 、 强度、 及开 采深 度 等 因素 对 支 承 压 力 大 小 及 分 布 的 影 响 J 。尽管支承压力分布规律各不相同 ， 尤其是峰 值大小 、 峰值点位置随开采条件 的不同而变化 明显 ， 但其共性特征也十分显著， 即随着工作面开采范围的 增加 ， 作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态开 始增大， 当峰值应力超过煤体强度极限后， 煤体中的 支承压力逐渐减小至残余应力 图 1 ， 形成了一个完 整的时空演化过程。更大范围内， 支承压力峰值大 小 、 峰值位置及其时空演化过程与工作面布置 、 开采 方法密切相关。本文从煤炭资源安全高效绿色开采 角度选取了 3种工作面布置或工作面回采方式 ， 即以 无煤柱开采为代表的采煤工作面采动应力叠加状态 、 以放顶煤开采为代表的单一采煤工作面采 动应力状 态 、 以保护层开采为代表 的卸压开采采动应力状态 ， 以此作为高效开采 、 绿色开采和安全开采模式 的典型 代表， 来分析其支承压力分布的共性特征。 a 沿走向支承压力分布 b 沿倾 向支承压力分布 图 1 长壁工作面周围支承压力分布 F i g ． 1 Ab u t me n t p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n a r o u nd l o ng wa l l c o a l mi n i n g f a c e 1 ． 1 无煤柱开采支承压力分布规律 无煤柱开采是在开采 中取消隔离采空区煤柱或 在巷道与采空区之间 留设小煤柱的一种采 区布置方 式 j 。实施无煤柱开采， 使得工作面与工作面之间 由于取消 了煤柱 ， 则相邻采空区的支承压力将转移到 工作面前方煤岩体上 图2 ， 产生走向支承压力与倾 向支承压力的叠加， 导致支承压力峰值有所增加 表 1 ， 其中厂 为硬度系数， 全文同 。 1 ． 2 放顶煤开采支承压力分布规律 放顶煤是厚煤层高产高效开采的最有效方式之 一 [ 1 3 ～ l 4l 一 放顶煤开采主要采取沿煤层的底板或煤层某一 厚度范围内的底部布置一个采煤工作面， 利用矿山压 力的作用或辅以松动爆破等方法， 使顶煤破碎成散体 第 7期 谢和平等 不同开采条件下采动力学行为研究 1 0 6 9 后， 由支架后方或上方的“ 放煤窗口” 放出 图3 a 。 与厚煤层分层开采相比， 放顶煤开采对工作面采场围 岩的扰动范围大， 超前支承压力峰值位置前移， 且应 力集 中系数较高 表 2 。 f a 无煤住布置方式 沿空留巷 b 工作面前后支承压力 图2 无煤柱开采布置及支承压力分布规律 分布 F i g ． 2 L a y o u t o f n o l l p i l l a r mi n i n g a n d i t s t y p i c a l a b u t me n t p r e s s u r e 表 1 无煤柱开采支承压力参数 Ta b l e 1 Ab u t m e n t p r e s s u r e p a r a me t e r s f o r n o n - p i l l a r mi n i n g r a 放顶煤开采布置 b 工作面前后支承压力分布 图3 放顶煤开采布置及支承压力分布特征 F i g ． 3 L a y o u t o f t o p c o a l c a v i n g a n d i t s t y p i c a l a b u t me n t p r e s s u e 表2 放顶煤开采支承压力参数 Ta b l e 2 Ab u t me n t p r e s s u r e p a r a me t e r s f o r t o p - c o a l c a v i n g 1 ． 3 保护层开采支承压力分布规律 保护层开采 也称解放层开采 是区域性瓦斯治 理最有效的手段m ， 涉及保护层与被保护层两类煤 层， 为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩 层称为保护层， 位于突出危险煤层上方的保护层称为 上保护层， 位于下方的称为下保护层， 而需要保护的 邻近突出煤层称为被保护层 图4 。 煤层群开采中， 作为首采层的保护层开采后上覆 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 煤岩经历了一个大范围变形 、 移动 、 破坏过程 ， 因此当 开采被保护层尤其是位于保护层上部的被保护层时， J 、 上卸瓜 j 保护堪 f订 TT F 卸压层 工作面前方的支承压力峰值明显降低 ， 保护层开采支 承压力参数见表 3 。 a 保护层开采 b 工作面前 后支乐胍力分布 图4 保护层开采布置及支承压力分布规律 Fi g ． 4 La yo ut o f p r o t e c t e d c o a l s e a m mi n i n g a nd i t s t y pi c a l a bu t me nt pr e s s ur e s 表3 保护层开采支承压力参数 Ta b l e 3 Ab u t m e n t p r e s s u r e p a r a m e t e r s f o r p r o t e c t e d c o a l s e a m m i n i n g 2 不同开采条件下工作面前方煤岩体应力环 境初 探 总结不 同开采条件下沿走 向支承压力分布规律 发现 ， 在采动影响下 ， 工作 面前方煤岩体经历 了从原 岩应力 、 轴 向应力升高而 围压递减 卸 载 到卸载破 坏的完整过程 ， 而这才是煤岩体真正承受的采动力学 应力环境和条件。在深部高地应力条件下 ， 原岩处于 准静水压力状态 ， 因此深 部工作 面前方 煤岩体 的 应力环境改变起始于准静水压力状态 ， 随工作面的推 进， 煤层中的支承压力 即垂向应力 由三向等压的 静水压力状态逐渐升高至峰值应力， 而后伴随煤体的 破坏而进入卸压状态， 垂向应力逐渐降低直至煤壁处 的单压残余强度状态； 另一方面， 水平应力则由三向 等压的静水压力状态逐渐减低至 0 即卸压 图5～ 7 。 目前的矿压研究大多集 中在支承压力 即垂 向 应力的讨论， 尤其是获得了大量有关支承压力峰值 点位置和大小的研究结论 ， 对水平方向的应力探讨则 相对缺乏 ， 因此本文 以近似线性的方式确定水平应力 的变化规律。 考虑到放顶煤开采对顶板扰动范围较大， 相对保 图 5 尢煤 柱开采条件 F 工作面前方煤体应力环境 F i g ． 5 S t r e s s s t a t e o f c o a l i n t h e fro nt o f wo r k i n g f a c e f o r n o n p i l l a r mi n i n g 护层开采而言 ， 在顶板及煤层物理力学性质相似的情 况下 ， 放顶煤开采引起的支承压力分布范围大、 峰值 点位置前移， 且峰值有所增加。而无煤柱开采由于减 少了煤柱对顶板的有效支撑， 导致其支承压力有所增 加， 其应力集中系数较放顶煤与保护层开采明显偏 大。因此 ， 在煤层 、 顶板属性 、 采深等条件相似 的情况 下 ， 根据表 1 ～ 3， 将无煤柱开采的应力集 中系数概化 为 2 ． 5 ～ 3 ． 0 ， 而放顶煤布置为2 ． 0～ 2 ． 5 ， 保护层开采 为1 ． 5 ～ 2 ． 0 ， 作为这 3种典型开采方式导致的应力 集中， 即轴向应力升高的主要特征。图5～ 7分别给 出了这 3 种开采方式下的采动力学荷载曲线。 第 7期 谢和平等 不同开采条件下采动力学行为研究 图6 放顶煤开采条件下工作面前方煤体应力环境 F i g ． 6 S t r e s s s t a t e o f c o a l i n t h e f r o n t o f w o r k i n g f a c e f o r t o p c o a l c a v i n g l f 1 ． 5 - 2 ．0 y H 图7 保护层开采条件下工作面前方煤体应力环境 F i g ． 7 S t r e s s s t a t e o f c o a l i n t h e f r o n t o f w o r k i n g f a c e f o r pr o t e c t e d c o a ]s e a m mi ni ng 工作面前方煤岩体采动前为 ， T H的 静水压力状态， 假定 O t 代表不同开采方式引起的应 力集中系数， 并且工作面前方煤岩体在破坏过程中的 轴向应力和水平应力分别对应图 5～7中括号内系数 范围的最大值和最小值， 从图 5～ 7可以得到工作面 前方煤岩体在破坏卸载前承受的采动力学荷载 o r 1 a y H 1 其中， 无煤柱开采、 放顶煤开采和保护层开采 O t 分别 取 3 ． 0 、 2 ． 5 、 2 ． 0 ； 为容重 ， k N ／ m ； Ⅳ为开采深度 ， m。 而伴随 o r 从 T H升高到 的同时 ， 将对应 图 5～ 7中①点和②点采动卸荷 的采动力学的水平应力 可表示为 一一 2 【 ②点 z O “1 2 ． 0 ， 2 ． 5 ，3 ． 0 式 1 、 2 表征 了工作 面前方煤岩体承载的采 动力学应力状态， 既考虑了开采方式对煤岩体发生采 动力学的影响， 同时也考虑开采深度对煤岩体发生的 采动力学影响。 3 不同开采条件下采动力学行为实验研究 3 ． 1 煤岩体采动力学行为的实验方案 为真正模拟不同开采条件下的煤岩体采动力学行 为 ， 本实验采用假三轴 C T C实验 加卸载方案 ， 轴向压 力模拟支承压力 ， 而围压变化模拟水平应力 ， 即通过升 高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟工作面煤壁 前方垂直应力升高和水平应力卸载的变化。具体加卸 载方案是根据轴向应力和围压的比值进行。需要说明 的是 ， 本实验仅考虑了轴压和 围压的相对 比值变化， 并不考虑该相对 比值与工作面位置的空间关系。 根据 3种典型开采条件下工作面前方煤岩体应 力环境特征得到的工作面前方煤岩体破坏卸载的采 动力学荷载表达式 1 、 2 ， 针对 3 种典型不同开采 方式的实验模拟过程均可分为静水压力阶段 、 第一卸 载阶段和第二卸载阶段 3个阶段 图 8 。 o 图8 C T C实验加卸载方案示意 F i g ． 8 S c h e ma t i c v i e w o f C T C l o a d i n g a n d u n l o a d i n g t e s t s 首先 ， 假定 3种典型开采方式对应煤层埋深均为 1 0 0 0 m， 以轴压和围压的相对 比值为 1的加载方式 ， 模拟深部煤岩体未开采扰动前的静水压力特征 ， 即 3 种不同开采方式均对应相同原岩应力状态。其次 ， 针 对 3种不同开采方式 ， 以轴压和围压的相对比值相 同 且均大于 1的加载方式升高轴压和降低 围压 ， 模拟深 部煤岩体受开采扰动的影响使水平应力由准静水压 力状态逐渐卸载至式 2 中的①点应力值， 同时开采 扰动导致轴 向应力升高至原岩应力的 1 ． 5倍 。最后 ， 针对 3种不 同开采方式 ， 以轴压和围压 的相对比值不 同且均大于 1 的加载方式升高轴压和降低围压， 模拟 深部煤岩体受开采扰动破坏卸载的采动力学行为 ， 当 煤岩体破坏时 3种不 同开采方式 的轴 向应力和水平 应力分别对应式 1 和式 2 中②点不同 对应 的应 力值。针对 1 0 0 0 m埋深煤岩体的上述 3种典 型开 采方式的采动力学变化过程 ， 图 8中对应具体模拟实 验步骤如下 ① 静水压力阶段 以 3 MP a ／ mi n的加载 速率施加围压压力至2 5 M P a ， 即图8中 段； ② 第 一 卸载阶段 3 种典型开采条件下 ， 煤岩体受采动应 力影响均由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中 系数等于 1 ． 5 ， 轴向应力 一 o r 增加和横向应力 卸载之比均为 2 ． 2 5 1 ， 即图 8中A B段； ③ 第 二卸载阶段 对应应力集中系数由 1 ． 5到煤岩发生卸 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 载破坏， 煤岩体在无煤柱开采、 放顶煤开采、 保护层开 采 3种典型开采条件下破坏时 O t 分别等于 3 ． 0 、 2 ． 5 、 2 ． 0 ， 轴向应力 一 Or 增加和横 向应力 O r ， 卸 载之 比为分别为 4 ． 7 5 l 、 3 ． 5 1 、 2 ． 2 5 1 ， 分别对应 图 8 中 B E段 、 B D段 、 B C段 。 3 ． 2 煤样准备 煤样取 白大同煤业集团塔山矿 8 1 0 5工作面 煤 层平均厚度 1 8 m 。在 8 1 0 5 工作面煤壁处选取块度 较大、 完整性较好的煤块 ， 煤块尺寸要求长 3 0 0 m m， 宽、 高 2 0 0 m m， 煤块用塑料膜包裹 ， 运输 至实验 室 ， 然后加工成标准试件 6 5 0 mm l O 0 m m 。 3 ． 3实验设备 实验设备采用 MT S 8 1 5 F l e x T e s t G T岩石力学实 验。该设备最大轴向荷载 4 6 0 0 k N， 最大围压和渗透 压均为 1 4 0 M P a ， 最大孔隙压差为 3 0 MP a ， 温度为 室 温到 2 0 0 ， 动态振动频率达 5 Hz 以上。可进行 常 温常压与高温高压、 静力学与动力学、 单轴压缩与三 轴压缩全过程 、 孑 L 隙水压与渗透水压、 间接拉伸与直 接拉伸全过程、 纵波波速与横波波速、 声发射测试与 定位 、 三点弯曲等试验测试 ， 是 目前 国际国内功能最 齐备、 技术水平最高的岩石力学试验设备之一。 3 ． 4 实验结果与分析 根据式 1 、 2 ， 按不同开采方式下 的采动力学 荷载对煤岩体进行加载， 真正实现了对煤岩体 3 种典 型开采方式采动力学行 为的实验模拟 ， 得到不同开采 方式下工作面前方煤岩体的采动力学行为 图9 与 传统的 未考虑开采方式 煤岩体力学行为 图 1 0 截然不同。3种典型开采方式下 图9 ， 轴向变形、 横 向变形和体积变形均在 峰值应力附近现 出了较 大 变形平 台， 对应体积变形不仅出现 了相对初始状态的 体积压缩 ， 还出现 了破坏阶段的体积膨胀。然而 ， 此 前研究均未能考虑开采方式的影响 ， 更不可能按不同 开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载， 因而 得到的煤岩体破坏力学行为 图 1 0 的轴 向变形、 横 向变形和体积变形均在峰值应力时突然下跌， 对应体 积变形相对初始状态始终为体积压缩 ， 整个破坏过程 未出现体积膨胀。 考虑开采方式影响， 并按不同开采方式下的采动 力学荷载对煤岩体进行加载， 实现并得到3种典型开 采方式煤岩体的采动力学行为之间也存在较大差异。 无煤柱开采对应的采动支承压力状态高于放顶煤开 采对应的采动支承压力状态， 保护层开采对应支承压 力最低， 无煤柱开采、 放顶煤开采、 保护层开采对应煤 岩体卸荷破坏时采动力学行为的水平压力、 纵向与横 向变形均依次递减 图9和表4 ； 然而， 其体积膨胀 图9 不同开采方式下工作面前方煤体的采动 力学行为 变形 特征曲线 F i g ． 9 Mi n i n g i n d u c e d s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c o a l s a mp l e s i n t h e f r on t o f wo r ki n g f a c e u n de r t h r e e t y p i c a l mi n i ng l a y o u t s 图 1 0 传统 的 未考虑呆动影响 ， 更无法 考虑 开采 方式 的 影响 煤体的力学行为 变形 特征曲线 F i g ． 1 0 U s u a l s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c o a l s a mp l e s n o t t a k i n g i n t o a c c o u n t o f mi n i n g i n d u c e d e f f e c t s a s w e l l a s e f f e c t s o f m i n i n g l a y o u t s 变形则相反 ， 保护层 开采对应 的体积膨胀 变形量最 大 ， 无煤柱开采对应的结果最小 图 9和表 4 。无煤 柱开采破坏时对应 的支承压力 、 水平压力 、 纵向应变 、 横向 应 变 分 别 较 放 顶 煤 开 采 提 高 了 1 3 ． 4 1 ％ 、 1 3 ． 2 0 ％ 、 2 9 ． 6 6 ％ 、 1 8 ． 9 4 ％ ； 放顶煤 开采破坏时对应 的支撑 、 水平压力 、 纵向应变 、 横向应变分别较保护层 开采提 高 了 2 2 ． 7 6 ％、 4 1 ． 2 9 ％ 、 3 2 ． 3 9 ％ 、 7 ． 1 4 ％ ； 保 护层开采破坏时对应 的体积膨胀 变形 量则分别较放 顶 煤 开 采 和 无 煤 柱 开 采 提 高 了 1 3 6 ． 9 2 ％ 和 6 3 1 ． 1 4 ％。按不同开采方式下 的采动力学荷载对煤 岩体进行试验加载， 得到3种典型开采方式下煤岩体 卸荷破 坏 时对应 O ／ 值 分 别 为 2 ． 8 2 8 8 、 2 ． 4 9 4 4和 2 ． 0 3 2 0 ， 与式 1 中 值及图5～ 7中3种开采条件 下支承压力集中系数取值 无煤柱开采、 放顶煤开 采、 保护层开采分别为 2 ． 5～ 3 ． 0 、 2 ． 0～ 2 ． 5 、 1 ． 5～ 2 ． 0 一致， 按式 1 、 2 实现的煤岩体采动力学行为 的实验研究， 可以很好地模拟煤炭工程地下开采中的 无煤柱开采 、 放顶煤开采和保护层开采 3种开采条件 对应 的煤岩体破坏全过程的采动力学行为。 按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进 行加载， 得到 3 种不同开采方式采动力学载荷条件下 叩 柱 柱 柱煤 煤 煤 层层 层 煤 煤煤 顶 顶 顶 护护 护 无 无 无放 放 放保 保 保 第 7期 谢和平等 不同开采条件下采动力学行为研究 表 4 不 同开采方式对应应力、 变形量 和 O L 值列表 Ta b l e 4 S t r e s s ， d e f o r ma t i o n a n d d v a l u e f o r d i ffe r e n t mi n i n g l a y o u t s 煤体的宏观破坏特征相似 图 1 1 。无煤柱开采和放 顶煤开采主要表现为压剪破坏特征 ， 而保护层开采则 表现为张剪破坏特征 。 柱开采 b 放顶煤开采 图 1 1 3种不 同开采方式 采动 力学 载荷条件 F 煤体破坏前后照片 F i g ． 1 1 S i t u a t i o n o f c o a l s a mp l e s b e f o r e a n d a f t e r t e s t s f o r t r e e t y p i c a l mi n i n g l a y o u t s 考虑开采方式的影响 ， 并按不同开采方式下的采 动力学荷载对煤岩体进行加载 ， 得到煤岩体采动力学 行为与开采方式具有相关性 图 1 2 。无煤柱开采 、 放顶煤开采、 保护层开采3 种不同开采方式对应的煤 岩体发生破坏时的支撑应力递减 ， 并均可用 3种开采 方式分别替代对应支承压力 ， 即基于不同开采 方式下的采动力学荷载实现的对煤岩体采动力学行 为的实验研究， 得到煤岩体破坏时对应的水平压力、 纵向应变量、 横向应变量及体积变形量均可由3 种开 采方式线性表示 ， 对应拟合表达式 的相关 系数均在 0 ． 9 3以上 表 5 。即 F 1 ， 2 ， v ， 3 k o - 1C 3 式 中， ， ， ， 分别 与 o r 的拟合得到 、 C及相 关系数见表 5 。 I／ M P a a保护层开采 放顶煤开采 无煤柱开采 ⋯。 纵 向应变拟 合线 ～一 破坏围压拟合线 ⋯ 体积应变拟合线 横向应变拟合线 图 1 2 3种不同开采方式采动力学荷载下煤岩体的 纵横向应变、 体积应变及围压压力与峰值应力关系 F i g ． 1 2 Re l a t i o n s o f v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l s t r a i n， v o l u me s t r a i n a n d c o n f i n i n g p r e s s u r e w i t h p e a k s t r e s s o f c o a l s a mp l e s un de r t h r e e t y pi c a l mi ni ng l a y o ut s 表5 、 C及相关性系数列表 Ta b l e 5 k， C a n d r e l a t i v i t y c o e ffi c i e n t s 4 结 论 1 考虑不同开采方式下采动力学荷载的影响 ， 3种开采条件下煤岩体 的采动力学行为试验结果 总 体变化特征相似 ， 但均与未考虑开采方式得到的结果 截然不同。 2 得到 3种开采方式下 ， 煤岩体采动力学行 为 的差异。无煤柱开采、 放顶煤开采与保护层开采对应 的煤岩破坏时的支承压力依次递减； 无煤柱开采对应 支承