考虑开采扰动对传统矿压理论的修正.pdf

To t a l 1 3l No ．1 2 01 5 铜 业 ． 1 二 程 C 0P P ER E NGI NEE RI NG 总第 1 3 l 期 2 0 1 5年第 1 期 纛凳 撬蔫麓傣 矿羼羹谴熊傣 张婧 ，王 东 ，刘长武 1 ． 西华大学 能源与环境学院，四川 成都6 1 0 0 3 9 ；2 ． 四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成 都6 1 0 0 4 1 ；3 ． 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都6 1 0 0 6 5 摘要 在深部开采卸荷作用下，采场围岩产生大量裂隙和损伤，直接顶岩层处在峰后阶段 ，液压支架的 重复支撑使其完整性和稳定性都会产生明显降低。文中以埋深 8 0 0 m的邢东矿 1 1 2 6 工作面为研究背景，对高水 材料长壁充填开采工作面的直接顶岩层垮落步距进行了理论计算，修正了传统矿压理论，计算结果与现场监测 实际情况吻合。 关键词 深部开采 ； 峰后 ； 液压支架 ； 重 复扰动 ； 矿压理论 中图分类号 T U 4 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 3 8 4 2 2 0 1 50 1 0 0 3 6 0 3 The M o d i fi c a t i o n o f Tr a d i t i o n a l M i n e Pr e s s ur e Th e o r y Co n d uc t e d by M i n i n g Di s t ur ba nc e Z HANG J i n g ， WANG Do n g ， L I U C h a n g W U 1 ． E n e r g y ＆E n v i r o n m e n t C o l l e g e o f X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， S i c h u a n ， C h i n a ； 2 ． S i c h u a n P r o v i n c i a l T r a n s p o r t D e p a r t me n t Hi g h w a y P l a n n i n g ， S u r v e y ， De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch e n g d u 6 1 0 0 41 ， S i c h u a n ， Ch i n a ； 3 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Hy d r a u l i c s a n d Mo u n t a i n R i v e r P r o t e c t i o n a n d De v e l o p me n t o f S i c h u a n Un i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， S i c h u a n ， Ch i n a Ab s t r a c t Du e t o t h e u n l o a d i n g i n d e e p mi n i n g ， f r a c t u r e a n d c r u s h i s wi d e l y e x i s t e d i n wa l l r o c k o f s t o p e ． S i n c e d i r e c t r o o f s t r a t u m wa s a l r e a d y i n t he po s t pe a k s t a t u s ， t h e r e p e a t p r o p u p wo u l d d e c r e a s e i t s i n t e g r i t y a nd s t a bi l i t y s i g n i fica nt l y ． Ta ki ng t he Xi n g do n g 1 1 26 wo r k i n g f a c e i n 8 0 0 me t e r d e e p a s r e s e a r c h b a c k g r o u n d ， t h i s p a p e r a me n d e d t h e mi n e p r e s s u r e t h e o ry a n d c a l c u l a t e d c o l l a p s e d i s t a n c e o f d i r e c t r o o f s t r a t u m i n l o n g wa l l mi n i n g fi l l i n g wi t h h i g h w a t e r c o n t e n t ． At l a s t ， t h e mo n i t o r d a t a wa s a g r e e d wi t h t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s we l 1 ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；p o s t p e a k； h y d r a u l i c s u p p o r t ；r e p e a t d i s t u r b a n c e ； mi n e p r e s s u r e t h e o ry 1 引言 煤炭深部 开采 中，高应 力状态的直接顶岩层 在 开采卸 荷 的作用 下往往 产生屈 服变形和 破坏 ， 属 于峰后 状态的岩体。另外 ，在液压支架 的重复 支撑作用下，将导致岩体裂隙发育程度的进一步 发 展 ，而这也是 以往矿压理论 中所 忽视的。液压 支 架对 高应力状 态直接顶岩层 的重复支撑 ，类似 室 内试 验中振 动荷载对岩石峰后阶段的影 响。但 是 ， 目前关于岩石峰后特性研究 的文献 较少 涉及振动对岩体作用的研究成果，笔者在文献 J 中较为系统地研究 了振动作用对 峰后 阶段岩石力 学特性 的影响规律 。 2 邢东矿 1 1 2 6工作面概况 邢 东 矿 1 1 2 6工 作 面 ，埋 深 达 到 8 0 0 m左 右 ， 且属于村庄下压煤。为降低 1 1 2 6 工作面开采引起 的地面沉降，减缓冲击地压等深部开采中的灾害发 生 ，对采空区进行了超高水材料充填处理。充填的 直接作用是减少了采空区的 自由空间，从而使得上 部岩层 的移 动规律发生改变。1 1 2 6工作 面顶底板 岩层的分布情况如表 1 所示 。 高水充填处理采空区时， 采用的是双节式顶梁 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 3 0 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 2 ；四川大学水力学国重室开放基金 S K HL I 3 1 2 ； 西华大学重点科研基金项 目 z 1 3 2 0 4 0 4 作者简介 张婧 1 9 8 6 - ，女，湖北武汉人，讲师，博士，主要从事地质灾害、水力学及河流动力学方面研究。E m a il p h y ll i s _ z j y e a h ． n e t 3 6 张婧 ，王东 ，刘长武 考虑开采扰动对传统矿压理论 的修正 2 0 1 5年第 1 期 液压支架 ，顶梁的长度接近普通液压支架顶梁的 2 倍 ，这无疑增加 了液压支架对直接顶岩层重复支撑 的次数。重复支撑次数的增加 ，会加重峰后岩石裂 隙发育程度 ，充填长壁开采工作面岩层分布如图 1 所示 。 图1 高水材料充填采空区丁作面示意图 3 顶板岩层理论计算 按照钱 鸣高院士 提出的 “ 三带理论 ”及文 献 中的方法 ，充填开采 中顶板岩层的划分可 以 按照下式来计算 H ∑h 。 1 ， 一】 h ≤ 1 ．5 [ h 一 ∑h i K 一 1 ] 2 I 式中 h 为 自下而上第 i 层岩层 的分层厚度 ， m； h为采高 ，m ； d表示充填体的实际充填厚度 ，1 T I ； 为直接顶岩层的碎胀 系数 ，取 1 ． 2 5 ～ 1 ． 5 0 。由于 1 1 2 6工作面顶板 较为坚 硬， 取下限 1 ． 2 5 。由于 充填体 自身的物理 、力学参数及充填质量影响着 d 的取值 ，初始充填厚度小于 4 ． 5 m，只有 4 m左右 ； 同时随着工作面的推进，采空区里的充填体会逐渐 被压实 、压缩 ，使得充填体最终厚度 d小于初始厚 度 。因此 ，结合类似工程经验和现场观测 ，d的最 终 有效厚度在 3 3 ． 5 m。出于安全考虑 ，此处取充 填体有效厚度 d为 3 ．O re，在此基础上进行 1 1 2 6 工 作面顶板活动规律的分析。在采用双节式顶梁液压 支架、高水充填开采条件下，1 1 2 6 工作面直接顶 岩层由三部分组成。 11 号岩层下部 的 2 m直接顶 。 双节式顶梁液压支架 ，顶梁 的长度接近普通液 压支架顶梁的 2倍 ，增加了液压支架对直接顶岩层 1 号 重复支撑的次数 。直接顶岩层 由于埋深达 到 8 0 0 m，初始地应力很高 ，在开采卸荷作用 下会 产生大量裂隙和损伤 ，可以认为 1 号直接顶岩层时 处在峰后阶段 ，因此液压支架的重复支撑对其完整 性和稳定性都会产生明显降低 ，这是 以往矿压理论 中所忽视的。通过现场实际观测 ，1 号直接顶岩层 在经历约 2 O次液压支架的重复支撑后 ，裂隙发育 程度和深度明显加深 ，裂隙深度随着重复支撑 的次 数增加而加大，裂隙最终深度为 2 m左右。 21 号岩层上部的 0 ． 6 7 m直接顶。 由于该岩层在垮落前未与下部岩体形成力学联 系 ，其荷载计算为 1 号岩层本身荷载 ， 一2 0 ． O 1 8 MP a 考虑 2号岩层对 1 号岩层的荷载 q刍 二 二 ． a1 2 0 01 M P 巨 Jizl 一 2 ’ E 2 ； 3 7 T o t a l 1 3 l 铜 业 工 程 总第 1 3 1 期 由于 g ． 2 g l ，故取其荷载为 0 ． O 1 8 MP a 。 岩层 的垮落步距在 5 0 m左右 。 四周固定边界条件下顶板初次断裂步距为 一 音 ．／ 3 ～I一 C ．．． ．．．．．． ．．．． 一‘ ‘ l 1 0 ．4 9 。 、 『0 ．0 1 8 1 0 ．4 9 L ／ 7 0 ⋯ 当计算板垮落的周期极限步距时，由于采空区 一 侧的约束由固支变为了简支， 因此按照三边同支 、 一 边简支的板来计算其垮落步距 ，计算公式如下 2 1 u 4 3 u 2 一 、 f 1 ． 3 4 1 0． 49 1 4 ． 1 7 2 f L’ ／ 7 0 一 0 ． 0 1 8 4 3 0 ． 4 9 L『／ 7 0 4 式中 为岩层泊松比 ； q 为岩层自重及其上荷 载 ，MP a； 2为采空区几何形状系数 ，等于 2 a ／ 2 b； 2 口为工作面推进距离 ，1 1 1； 解公式 3 4 ，得此部分直接 顶的初次断 裂步距为 1 7 ． 5 r n ，周期破断距 1 6 ． 7 m。 32号直接顶岩层。 该部分直接顶岩层垮落后与下位岩体可 以形成 力学联系 ，组成砌体梁结构 。但在垮落前是否有力 学联系 ，需要进一步判断。 可以通过其垮落前下部空间已 来判断 P M d S A 一 日 一 1 5 式中 为采高 ； d为充填体实际厚度 ； s A 为 顶板允许下沉梁 ，一般取 0 ． 1 5 ～ 0 ． 2 5 m； ∑ 日为下位 岩层总厚度 ； 为岩层碎胀系数，此处取 1 ．2 5 。 代 入相 关数 据可得，2号直 接顶 岩层在垮 落 前，下层空问为 0 ． 6 m左右，没有与下位岩层接触 ， 因此该岩层在垮落前没有受到下位岩层的支撑力作 用。 因此， 2 号岩层的垮落步距计算与不充填时相同， 初次断裂步距为 1 7 m，周期破断步距为 1 6 ． 5 m。 在进行直接顶岩层厚度折减的基础上，运用矿 压理论计算，得出 1 1 2 6 工作面直接顶岩层的初次 垮落步距为 1 7 ．2 m，周期垮落步距为 1 6 ． 5 m 。然而， 传统矿压理论没有考虑直接顶岩层在液压支架重复 支撑作用下裂隙带的发育情况， 计算得出的直接顶 3 8 4 现场监测 为研究 1 1 2 6充填工作面液压支架1 二 作阻力随 工作面推进的变化规律 ，在工作面中间位置的液压 支架后柱 和前 柱分别布置 1台 K J 2 1 6 一 F型顶 板压 力监测分站 ，监测的数据为支柱 内油压 ，它的变化 可以反映出液压支架对直接顶岩层的支护阻力以及 顶板岩层 的活动规律。该系统采用山东尤洛卡 自动 化装备股份有 限公 司提供 的 K J 2 1 6 一 F型顶板压 力 监测分站 ，实现地面在线远程监测。监测结果如图 2所示。 从图 2 可 以看 出 1 液压支架后柱的支护阻 力高于前柱 ，前柱 的平均支护阻力 为 2 4 ． 9 MP a ，而 支架前柱的平均支护阻力为 3 4 ． 4 MP a ，比前柱高出 3 8 ％。究其原因，一方面是工作面处顶板的部分重 量由煤壁承担 ，而后架上方顶板的下沉及转动回引 起支架后柱支护阻力的增加 ； 另一方面是由于直接 顶岩层在液压支架的重复支撑作用下 ，顶板岩层的 破碎程度和深度 自工作面向采空 区均增加 ，因而液 压支架承担的直接顶破碎岩块的重量逐渐增加。 2 在工作面向前推进过程 中，支架后柱支护阻力出现 周期性变化 ，前柱支护阻力无明显变化 。说 明在lT 作面回采过程 中，顶板岩层存在周期性破断现象 ； 同时由于来压系数较小 ，排除老顶来压可能 ，即是 由于直接顶的周期破断引起的液压支架支护阻力 周期性变化。从图 2中可以看出，直接顶的周期破 断步距在 1 0 ～ 2 0 m左右 ，小于传统矿压理论计算 的 5 0 m，而且与本文的计算结果是吻合的。 推 进距 离／ m 图2 液压支架阻力与1 二 作面推进度关系 5 结论 通 过 理论 计 算 和 现 场 监测 ， 下转第 5 0页 如 加 m O ＼ 醴 T o t a l l 3 1 铜 业 工 程 总第 1 3 1 期 人员 的经验控制 ， 经常导致发泡过程不稳定 、， 产 品报废甚至返工现象。为此 ， 我们根据历年来溶液 罐发泡工艺的成败案例，通过总结、对比、分析， 我们认为，聚氨脂发泡工艺中，部分主要参数与溶 液罐保温效果存在下列关系和规律 5 ． 1 环境温度对溶液罐保温效果的影响 在发泡成型过程中，原料温度与环境温度的高 低及恒定与否直接影响溶液罐的保温效果。一般来 讲，环境温度以 2 0 ～ 3 O ℃为宜，原料温度可控制在 2 0 ～ 3 0 ℃范围或稍高一些。温度较低时，发泡反应 进行缓慢 ，泡沫硬化时间长 。温度高 ，则发泡反应 进行快 ，泡沫硬化时间短 。温度过高或过低 ，都不 易得到高质量的保温效果 J。 5 ． 2 溶液罐罐体的预热温度对保温效果的影响 聚氨酯硬泡发泡原理 是 反应热使 发泡剂汽 化 ，发泡体系体积膨胀 。黑料与 白料的反应是一个 放热反应 ，放出的热量使发泡济汽化而形成泡沫。 罐体温度的高低直接影响反应热移走的速度。罐体 温度低 ，反应热移走快 ，发泡倍数小 ，泡沫制品密 度大， 表皮厚。罐体温度一般控制在 4 0 4 5 cC 为宜。 在实际生产过程中，应根据需要选择合适的温度 ， 并尽量予以恒定。为了保证聚氨酯发泡反应的充分 进行，发泡前应将罐体作预热处理 j。 5 ． 3 黑料和白料的搅拌质量对溶液罐保温效果的影响 使用手工发泡工艺法制作的保温材料，对发泡 过程的搅拌质量要求很高，也可以说是发泡成败的 关键 。黑料和 白料的搅拌质量高 ，混合料则均匀接 触 ，生成泡沫的泡孔就细腻 、均匀 、保温效果好 ； 否则，保温效果就较差。为了确保混合效果，聚氨 酯手工发泡时应尽可能使用搅拌机进行搅拌。 6 结束语 水相溶液罐的保温效果直接影响水相溶液性能 及炸药车计量 ，进而影响到该矿乳化炸药 的生产质 量 ，如何进一步优化聚氨脂发泡工艺参数 、保证发 泡质量 ，需要我们在今后的实际工作 中，不断地总 结完善。 参考文献 [ 1 ]蒋文斌 ， 邹柏华 ． B C HR 一 1 5型混装炸药车的研制与应用 [ J J ． 金能科 技 ， 2 0 0 9 4 1． [ 2]王国利 ， 李子强 ， 刘涛 ， 等 ． 露天矿用混装乳化炸药车技术 [ J l_ 有色 金属 矿山部分 ， 2 0 0 1 6 4 5 4 7 ． [ 3 ]王松 ． 聚氨酯泡沫孔结构控制研究 [ D ] ． 长沙 国防科技大学研究生 院 ． 2 0 0 2 ． [ 4]方 禹声 ， 朱 吕民 ． 聚氨酯泡沫原料 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 5 ]丁旭 ． 通过 D O E对聚氨酯发泡工艺性能分析与参数优化 【 J J ． 化学 工程与装备 ，2 0 0 9 5 5 7 ． [ 6]刘运学 ， 牛晚杨 ， 范兆荣 ， 等 ． 新型聚氨酯保温材料的研制 [ J 1 ． 新型 建筑材料 ， 2 0 1 0 8 5 8 6 0 ． 上接 第 3 8页 对双节式顶梁液压支架重复扰动下 的 l 1 2 6工作面 顶板岩层进行了分析 ，得到以下结论 采用双节式 顶梁液压支架高水充填条件下 ，1 1 2 6工作面最下 层的 2 m左右的直接顶岩层在高地应力和液压支架 重复支撑扰动等因素作用下 ， 松散破碎 ， 随采随冒， 容易诱发冒顶等事故 。因此 ，在进行直接顶岩层的 破断距离计算时，对传统矿压理论进行修正，去除 最下层 2 ．0 m的破碎岩体，计算得到 1 1 2 6 工作面直 接顶岩层 的初次垮落步距为 1 7 ． 2 m，周期垮落步距 为 1 6 ． 5 m，小于传统理论 的计算结果 ，然而与现场 液压支架支柱支护阻力监测数据吻合。 参考文献 [ 1 ]S p e n c e r ， J ． W． ， J r S t r e s s r e l a x a t i o n a t l o w f r e q u e n c i e s i n fl u i d s a t u r a t e d r o c k s A t t e n u a t io n a n d m o d u l u s D i s p e r s i o n [ J ] ． J ． G e o p h y s ． R e s ， 1 9 8 1 ， 8 6 B 3 1 8 0 3 - 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