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第 31 卷第 4 期 岩 土 力 学 Vol.31 No.4 2010 年 4 月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2010 收稿日期2008-08-07 基金项目国家自然科学基金No. 50744044；山东省优秀中青年科学家奖励基金No. 2007BS08024。 第一作者简介高阳，男，1984 年生，硕士研究生，主要从事隧道与地下工程方面的科研工作。E-mail highsun117 文章编号文章编号1000－7598 2010 04－1309－05 海底采煤顶板支承压力分布规律与影响因素研究海底采煤顶板支承压力分布规律与影响因素研究 高 阳 1，张庆松1，徐帮树1，李 伟2 （1.山东大学岩土与结构工程研究中心，济南 250061；2.大连大学院士创业园，大连 116622） 摘摘 要要针对北皂海域下软岩层覆盖的松软煤层的开采，建立相应的二维数值模型，应用有限差分 Flac3D 软件对其采煤过 程进行了数值模拟，对顶板超前支承压力分布规律做了分析。得出了超前支承压力存在两个峰值，其峰值大小、位置受煤层 采动影响的变化规律。定性研究了顶板刚度、煤体强度和埋深对超前支承压力分布的影响。研究对海底采煤的安全生产具有 重要意义。 关关 键键 词词海底采煤；支承压力；数值分析 中图分类号中图分类号TD 31 文献标识码文献标识码A Study of mining roof abutment pressure distribution law and affecting factors under sea GAO Yang1, ZHANG Qing-song1, XU Bang-shu1, LI Wei2 1.Research Center of Geotechnical 2.Pioneer Park of Academician, Dalian University, Dalian 116622, China Abstract Two-dimensional numerical model is built for mining soft coal covered by soft rock under Beizao sea area. Mining process is simulated and roof abutment pressure distribution law is analyzed with the help of finite difference software FLAC3D. The result shows that there are two stress peaks in the abutment pressure and its magnitude and location are affected by the mining. It is also concluded that the abutment pressure distribution is affected by the roof stiffness, coal strength and buried depth. It is significant for the mining under the sea. Key words mining under sea; abutment pressure; numerical analysis 1 引 言 煤层开采之前，岩体处于原始应力平衡状态， 采动之后，在重力作用下采空区的顶、底板岩体变 形移动，从而使原始平衡状态破坏。煤层上覆岩层 平衡被打破，覆岩受重力作用而作下沉运动。它在 运动过程中，将通过压缩工作面前方的煤体和后方 采空区的矸石而转嫁自身重力，最终形成新的力学 平衡结构而运动终止。煤层及周围岩体的原始应力 发生变化，形成附加应力，从而使采场的支承压力 发生显著变化。深入研究采场的支承压力分布规 律[1 －2]，对采场的支护方式、巷道开挖及支承压力 相关的动力灾害事故防治，均具有重要的理论意义 和工程应用价值[3]。本文是以北皂海域下放顶煤的 开采为背景，所采煤层和覆岩强度低，海域开采深 度较大，“三软煤层”开采覆岩运动规律和矿山压 力与一般开采条件采场有重大的差异，研究其矿山 压力分布规律尤为重要。 2 “三软煤层”采场顶板支承压力规 律研究 2.1 工程概况工程概况 北皂煤矿煤层覆岩顶底板主要由软岩构成，上 部为第四系米黄色海成砂，主要为石英砂，下部为 灰－灰绿色及土黄色砂质黏土、黏土质砂层及砂砾 层。煤层平均厚度 4 m，变化很小。煤层倾角 9， 倾向近 N。煤层埋深约 360 m，含水层的富水性较 弱，断层多处不导水或弱导水；矿井常涌水量一般 岩 土 力 学 2010 年 较小。 2.2 计算模型和计算参数计算模型和计算参数 由于 FLAC3D 在岩土力学中非线性弹塑性分 析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到 的优点[4 －5]，所以应用数值模拟软件 FLAC3D，采 用摩尔－库仑模型进行数值模拟。 将煤层开采简化为平面应变问题研究。采区走 向为 x 方向，垂直方向为 y 方向。有限差分模型水 平方向范围 x（0～800 m） ，垂直方向范围 y（0～ 204 m） 。取煤层以上 150 m做上边界，以下 50 m 做下边界建模，上边界以上的岩层以及海水作为作 用在模型上边界上的外荷载。左、右边界和下边界 约束法向位移。 煤层厚 4 m，直接顶厚 8 m。煤层采用综采放 顶煤，一次采空。直接顶随工作的推进随采随落。 煤层、直接顶用空单元（null）来模拟，不参与计 算。直接顶在垮落、破裂运动过程中，由于其具有 碎胀性能，因此直接顶经垮落破碎会逐渐充满整个 采空空间而使得老顶的自由运动空间逐渐变为 “零” ， 也就是说岩层不再因自重而下沉。 直接顶跨 落后碎胀系数为 1.25，488 1.252 m  ，因 此，老顶垮落垂直位移达到 2 m时触矸。采用大变 形模拟老顶跨落过程。 用竖向位移约束老顶下边界， 控制老顶继续向下跨落运动。计算模型共有 9 918 节点，4 816 单元。如图 1。 有关资料表明，岩体的完整性越差，弹性模量 越小，而泊松比却有所增大。通常情况下，岩体的 弹性模量为岩块弹性模量的1/7～1/20；岩体的凝聚 力、抗压强度、抗拉强度分别为岩块的1/10～1/20； 岩体的内摩擦角为岩块内摩擦角的1/3～2/3；岩体 的泊松比为岩块泊松比的1.1～1.3倍[6]。 根据实验室 测试数据，确定用于计算的岩石力学参数如表1。 图图1 计算模型图计算模型图 Fig.1 Computer model 表表 1 煤岩层物理力学参数煤岩层物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of terrane 岩层编号 弹模 /GPa 泊松比 内聚力 /MPa 内摩擦角 / 抗拉强度 /MPa 密度 /kg/m3 泥岩 1.55 0.22 0.778 36.7 0.061 2007 泥灰岩 1.72 0.31 0.65 31 0.12 2180 泥岩、泥灰 岩互层 0.995 0.19 0.4 31 0.063 2000 泥岩、炭质 泥岩 0.126 0.38 0.3 42 0.116 1740 含油煤层 0.237 0.44 0.7 30 0.055 1940 含油泥岩 0.237 0.44 0.7 30 0.055 1940 含油泥岩 0.237 0.44 0.7 30 0.055 1940 煤 0.0237 0.44 0.7 30 0.0055 1940 泥岩 0.705 0.23 0.298 24.3 0.031 2012 2.3 支承压力规律分析支承压力规律分析 煤层从切眼开采后，每步开挖5 m，工作面最 终开采150 m。现分析下列3个支承压力具有代表性 特征的进尺面。 （1）开挖进尺10 m 当开挖进尺10 m时，开挖面前方大约10 m以内 的应力达到强度极限，随着岩体的破坏，其支承能 力开始降低，煤层支承压力分布为两个区间塑性 区和弹性区。受采动影响，在重力作用下老顶岩梁 作下沉弯曲运动。在远离开采面一定距离时，必然 存在一个开始发生弯沉运动的位置。该位置远离采 场一侧的位置不因采动而发生变形，即处于原始应 力状态，另一侧而发生弹性变形而处于弹性区。由 于煤层上覆岩层较软，直接顶随采随落，老顶岩层 也随直接顶的垮落而进入塑性状态。 开挖面前方大约10 m以内为塑性区，10 m外为 弹性区（每个单元5 m） 。在塑性区（煤体已经完全 破坏）压力逐渐上升，在弹性区内达到压力高峰， 应力增大系数为1.07。支承压力影响范围很小，大 体在开挖面附近。塑性区范围如图2所示。 （2）开挖进尺95 m 当开挖进尺95 m左右时，应力区明显分为两部 分。老顶岩梁端部进入发生剪切破坏（断裂）前夕， 在断裂线附近压力高度集中； 岩梁端部剪切破坏后， 以破坏线为界将支承压力分为两部分，即在断裂线 与煤壁之间由拱内已破坏岩梁自重决定的“内应力 1310 第 4 期 高 阳等海底采煤顶板支承压力分布规律与影响因素研究 场” ， 以及在断裂线外由上覆岩层整体重量所决定的 “外应力场”[7]。这是由于工作面煤层的采出，采 场上覆岩层绕工作面前方固定瑞也在相应的向前移 动。老顶岩层沿推进方向上的悬露跨度也伴随工作 面推进在增大，当悬露老顶岩层跨度达到其极限跨 度时，因挠度超限而沿固定端所对应的某个截面位 置发个破坏。 数值计算表明内应力峰值在开挖面前方5 m左 右，其应力峰值增大系数系数为1.27，而外应力峰 值在前方95 m处，其增大系数系数为1.20，此时， 内应力峰值要明显高于外应力峰值。以应力增大系 数5为判据， 支承压力影响范围达到开挖面前方大 约230 m处。 （3）开挖进尺150 m 当开挖进尺150 m到达工作面长度时， “内应力 场” 、 “外应力场” 、压力峰值也相应增大，相对位置 也基本稳定。内应力峰值在开挖面前方10 m左右， 其应力峰值增大系数系数为1.13，而外应力峰值在 前方115 m处，其增大系数系数为1.31，此时，内应 力峰值低于外应力峰值。以应力增大系数5为判 据，支承压力影响范围达到开挖面前方大约270 m 处。塑性区范围如图3所示。 图图2 开采开采10 m时采空区围岩塑性区图时采空区围岩塑性区图 Fig. 2 Rock plastic zone of mining for 10 m 图图3 垂直应力等值线分布图垂直应力等值线分布图 Fig. 3 Contours of the vertical stress distribution of surrounding rock 值得注意的是，开挖进尺90 m时的内应力场峰 值要比进尺150 m时的内应力场峰值高，而外应力 场峰值要低， 如图4所示。 煤壁处将受到较高压力的 作用，这是采场中无支护空间易冒顶和煤壁片帮的 主要原因[8]，进尺90 m时的内应力场的应力峰值较 大，这对工作面煤壁片帮的有效控制提出了更高的 要求。因此，采场支架应具备护顶前探梁和防片帮 装置，并在回采中注意及时护顶和带压移架，以防 架前冒顶和片帮。 图图4 煤层开采过煤层开采过程中工作面前方的支承压力曲线程中工作面前方的支承压力曲线 Fig.4 Abutment pressure distribution in front of the working face 2.4 北皂矿北皂矿H2103工作面支承压力分布的实测研究工作面支承压力分布的实测研究 2.4.1 资料来源 为了实测采煤过程中超前支承压力的影响范围 和超前支护工作阻力的大小，在H2103工作面布置 了十字测点， 进行了巷道两帮与顶底板的位移观测。 通过对位移的观测推断支承压力的分布规律。 2.4.2 十字测点巷道收缩量资料分析 （1）H2103 运输巷 10测点 顶底板收缩速度变化曲线见图 5，工作面 2006 年 8 月 12 号开始生产，从运输巷 10测点（距离开 切眼 592 m）的资料分析，2006 年 11 月 8 号左右， 工作面推进 280 m左右时，运输巷 10测点的巷道 收缩速度有一个明显的加快，而在此位置之前，曲 线斜率较小平均为 0.15，下沉速度较小；此时测点 距离工作面 315 m左右时，曲线斜率急速变大，最 高达到 0.8，下沉速度明显变大。如图 5 所示[9]。 （2）H2103 材料巷 17测点 顶底板收缩速度变化曲线见图 8，工作面 2006 年 8 月 12 号开始生产，从材料巷 17测点（距离开 切眼 246 m）数据分析，工作面推进开始阶段 17 测点的巷道收缩速度即明显加快。当推到 10 月 21 号工作面推进到 215 m左右时，巷道收缩速度达到 最大值，此点距离工作面约 31 m。如图 6 所示[9]。 1311 岩 土 力 学 2010 年 图图5 H2103运输巷运输巷10测点顶底板收缩随工作面推进时的测点顶底板收缩随工作面推进时的 变化曲线变化曲线 Fig.5 Roof and floor displacements with working face advance in transport H2103 observation point 10 图图6 H2103材料巷材料巷17测点顶底板收缩速度随工作面推进测点顶底板收缩速度随工作面推进 时的变化曲线时的变化曲线 Fig.6 Roof and floor displacement with working face advance in transport H2103 observation point 17 从以上实测数据可以分析出 H2103 工作面中， 当距离开切眼 320 m时，巷道收缩速度明显加快， 这说明工作面前方 320 m外为原始应力区，基本不 受采动压力影响区。当距离开切眼 30 m 时，巷道 收缩速度达到最大，这说明 30 m 左右岩体进入塑 性破坏状态，应力显著降低。 3 支承压力分布规律的影响因素 3.1 顶板刚度对支承压力的影响顶板刚度对支承压力的影响 顶板的刚度与支承压力的分布直接相关。图 5 为不同顶板刚度时支承压力的分布。图中显示顶板 刚度较小比刚度大的支承压力分布平坦，峰值增大 系数较低，支承压力峰值位置也随顶板刚度的增大 而靠近煤壁。由于煤层上覆岩层的的总压力相同， 顶板刚度较高时 200 m以外支撑压力要小于其在刚 度较低时。但对支承压力的范围影响不明显。如图 7 所示。 3.2 煤层埋深对支承压力的影响煤层埋深对支承压力的影响 当煤层埋深为 260 m时，由于各点的应力还没 有达到煤体的破坏极限，因此，包括煤壁在内整个 煤层都处于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高 峰在煤壁处的单调下降曲线。随着埋深的增加，应 力达到煤体的强度极限， 随着煤体的破坏， 形成 “内 应力场” 、 “外应力场” ，应力随埋深增加而增大，外 应力峰值距离开挖面有增大的趋势，支承压力影响 范围变化不大。如图 8 所示。 图图7 不同刚度顶板的支承压力分布曲线不同刚度顶板的支承压力分布曲线 Fig.7 Abutment pressure distribution with different roof stiffnesses 图图8 不同埋深时支承压力分布曲线不同埋深时支承压力分布曲线 Fig.8 Abutment pressure distribution with different depths 3.3 煤体的强度对支承压力的影响煤体的强度对支承压力的影响 煤体强度较高条件下， “内应力场”和“外应 力场”峰值要支承压力峰值稍有前移，内应力峰值 明显提高，外应力峰值大小接近。 这是由于煤体强度较低时，在直接顶和老顶荷 载作用下，工作面附近的煤体首先发生破坏而不具 图图9 不同强度煤的支承压力分布曲线不同强度煤的支承压力分布曲线 Fig.9 Abutment pressure distribution with different strengths 1312 第 4 期 高 阳等海底采煤顶板支承压力分布规律与影响因素研究 有抗荷载能力，致使顶板应力峰值向远处转移，而 形成的塑性区也就越大。这说明强度较高煤壁处将 受到较高压力的作用，对煤层支护提出了更高的要 求。如图 9 所示。 4 结 论 （1） 用数值模拟方法得出了在海底 “三软煤层” 放顶煤开采中支承压力中的“内应力场”和“外应 力场” 。 “内应力场”先增大后减小， “外应力场”由 小增大。 （2）采场长度对支承压力分布影响。随着采场 推进长度的增加，支承压力峰值的大小和影响范围 都有明显增大，峰值的大小也明显增大。 （3）北皂矿实测资料表明 “三软煤层”支承压 力的原始应力区在工作面前方 320 m以外， 30 m以 内为塑性区。这与数值计算基本吻合。 （4）顶板的刚度对支承压力的影响。随着刚度 的增加，支承压力影响范围变化不大，但“外应力 场”的峰值明显提高，而且峰值距离开挖面的距离 减小。 （5）煤层埋深对支承压力的影响。随着煤层埋 深的增加，支承压力和峰值都明显提高，但影响范 围变化不大。当埋深较浅时，随着采场的增加，煤 层应力没有达到破坏极限，因此，整个煤层一直都 处于弹性压缩状态，支承压力分布是一条高峰在煤 壁处的单调下降曲线。 （6）强度较高的煤体条件下， “外应力场”峰值 少量前移， “内应力场”峰值明显加大。强度对支承 压力影响范围变化不大。 参参 考考 文文 献献 [1] 司荣军, 王春秋, 谭云亮. 采场支承压力分布规律的数 值模拟研究[J]. 岩土力学, 2007, 2 351－354. 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