基于覆岩空间结构理论的矿压特征分析及应用.pdf

第卷 第期中 国安全生产科学技术 年 月 文章编号 基于覆岩空 间结构理论的矿压特征分析及应用 冯飞胜，成云海，孙振平，田厚强，樊俊鹏 安徽理工大学煤矿安全髙效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南 摘 要 基于覆岩空间结构理论 一面采空 、两面采空边界条件下覆岩结构称为 “” 型和 “” 塑结 合矿压知识及工程背景的特殊条件将二者转换过程中覆岩结构定义为 “” 型。在系统分析 三种结构构成、运移规律和应力分布特征的基础上对矿山动力事件进行分析与 防治 ；现场侧向支 承压力监测结果显示基于覆岩空间结构理论的结构构成及相关计算相似现场顶板岩层离层监测 结果显示基于覆岩空间结构理论的覆岩运移规律阐述可靠 工作面矿压特征监测结果显示 基于覆 岩空间结构理论的特厚煤层矿压特征分析与实际发生情况基本 一致 ，研究可为类 似条件下矿压特 征分析与岩层控制提供 一定借鉴 。 关键词覆岩空间特厚煤层；边界条件 ；矿压 中图分类号 文献标志码 ‘ ， ， ， ， ； ； ； 收稿日期 作者简介冯飞胜，硕士研究生。 引言 基金项目 国家自然科学基金项目（ 山东省矿山灾害预防控制国家重 盘实验室培育基地开发基 金 煤胃场工作面开采尺寸大、推速度快 导致覆岩破坏范围广，决定矿山压力 的岩层层位已 第期 中 国安 全生产科学 技 术 经超出了传统基本顶和老顶的范畴，工作面多面采 空时受多个关键层耦合影 响，研究特厚煤层覆岩空 间结构构成、掌握关键层运移规律 ，对分析矿山动力 构造无法 开 采区域 工作 事件具有重要参考价值。 目前钱鸣高等 建立 一一 一一， 的 “ 关键层 ” 理论建立了关键层位的 力学模型，为； 丨 覆岩结构的构 成、运移和失稳提供了理论依据；浦 海，缪协兴等 运用数值模拟方法，分析了关键层 的相对位置及失稳等对围岩压力分布的影响 ，从数 ■ 一 面▲到 两面 丨 工作面 值分析上为巷道围岩的 控 制 提供了 一 定的 指导；成 ‘采空 丨 昇 空转换‘段两 面 云海，姜福兴等 “ 运用微震探测系统研究了关键 层运动诱发矿震的作用机理。姜福兴提出覆岩 丨 空间结构概念，根据工作面的边界条件，从 一 面采 图工作面概况 空、两面采空、三面采空到孤岛工作面，分别建立了 ， 和型四类空间覆岩结构模型，突破传统的 “” 型覆岩空 间结构 “ 直接顶 ” 和 “ 老顶 ” 矿压研究范围的 限制等。 以上 工作面的切眼位置在工作面切眼以 对研究覆岩空间结构与矿压特征之间的关系具有重 东，因此 工作面会先经历 一 面采空的边 要的 指导价值。 界条件 ，此种空司结构可称之为 “” 型覆岩空间结 本文以水帘洞煤矿为工程背景依据覆岩空间 构 ⑷ ，根据现场实践经验和矿压理论知识可得 ， “” 结构理论和矿压理论对特厚煤层工作面矿压特征 型覆岩空间结构在初期会随着工作面推进而变化 ， 进行分析并与监测数据进行对比研究 。 这与钱鸣高等 “” 覆岩形态 一致 空间覆岩结 构破坏高度与顶板岩性 ，推进速度和工作面长 度等 工程背景 有关， 一般会在工作面推进 到 一个 工作面倾斜长度 左右之后渐趋稳定结构示意图如图 所示。 工作面埋深 属近水平煤层是 接替工作面，两个工作面之间留设煤柱直接顶 构造无法 开采区域 已采 工作面 为易冒落泥岩，基本顶为中细粒砂岩 ，属坚硬 顶板。 丨 由于地质构造等原因， 工作面开切眼在 以通 厂 工作面开切眼以西 如图 丨 所示， 工 ■ 作面在回采过程中会 遇到 一 面采空、两面采空及两 煤层平均厚度，属特厚煤层顶板为坚硬 型构 ” 型结构 弱冲击性岩层，工作面采用放顶煤开采方法采用全 “’ ’賴錢 肖结构转换示意图 覆岩空间结构变化 此阶段的矿压特征主要表现在 “” 型覆岩空 间 结构的转换过程，即基本顶的初次来压和周期来压， 依据矿山压力 知识和覆岩空 间结构理论根据参考相关文献 可知 ，初 次来压和周期来压步距 工作面特殊边界条件可将工作面回采的过程 分别为和 分析认为 在此阶段，大 动力 总结为覆岩结构由 “” 型 、 “” 型到 “ 型覆岩 事件主要为周期来压。 空间结构转换和稳定的过程。 . 3 8 . 中国安 全生产科学 技术第 卷 “ 型覆岩空间结构 “ 型并非覆岩空间结构形态，工作面的边 界条件将由 一面采 空到两面采空的转变，矿压显现 顧，覆岩运动复杂没有个特定的空间结构故 一 称此阶段覆岩空间结构为 “ 型，其中 工 一一 作面靠近煤柱侧覆岩结构已经断裂并形成稳定结叫二） “ 构端头三角悬顶结构力学简化模型由固支 梁变为简支梁，在工作面边界条件转变过程中将会 夬结构〒意 以整 旋转下沉形式趙冲击端头 ’这与传统的随 ，取 為 为矸石夹层厚度，取 求得端 着推采沿 斜边呈弧形垮落的跨方式不同’根据 头三角悬顶结构最大下沉量为 巷道顶 板的简化计算法’可以把二角悬 顶看成自 板中间部位基本顶位移为 。 若干伪倾斜条梁组成的板’如图所示。 据此，可分析在 工作面靠近 工作面 「姑 切眼位置时，基本顶与直接顶可能有较大离层发生 ， 采 工作面 离层量最大可达左右 ，须做好防范措施，同 端头三角 悬顶结 构 时由于 工作面由 一面 采空到两面采空的转变， 工作面将由单纯的走向支承压力作用转化为走向支 在彩；推面 承压力和倾向支承压力叠加影响，在工作面下端头 入、、、 覆 岩运动复杂矿压显现剧烈，必须引起重视提前 ■ 冋风■巷 加固巷道做好巷道应力剧烈显现预兆监测 、应力特 切眼位置 未采工作面征预警和巷道后期维护工作。 型覆岩空间结构 当 工作面 一面面临 本工作面采空区、 一面 图覆岩空间结构示意图 面临 工作面采空区时 ，与工作面之间留 设有煤柱 护 巷，根据弹性基础 梁模型可求得老 “ “ 蘭裂线与煤壁间的距离 的极限跨落步距可由下面公式计算 二 咖 二 其中， 为条梁的最大垮落步距； 为煤层厚 度为岩石抗拉强 度，为均布荷载， 可取 倍采高来计算，为倾斜条 ， 梁的倾斜角度，可由煤层倾角求伪倾角方法得 出，计算为 ，计算得出条梁的最大垮落步距为其中和 为梁弯曲变形方程特征根，可近视 。相等依据本矿地质条件取值 为煤壁 再次假设端头三角块以直角三角形的形式存位置变矩可取为煤壁位置剪力，可 在，则所求长度为直角三角形的斜边长 ，端头三 取 ；为煤壁位置轴力可取； 角块以 一条直角 边为转轴旋转下沉失稳建立模型 为 地基系数可取 ￡ 为老顶岩 如图 。 梁的抗弯刚度，可取 、 ，计算求得 依据模型，可求得端头三角悬顶结构最大下沉 为，根据计算结果可知 ，煤柱处 于内应力 量 好肝 ） ，其中为煤层厚 场，煤柱两侧老顶断裂线会重合煤柱无法完全阻隔 度取； 直 为直接顶厚度，取 ； 为碎胀系 两个工作面空间覆岩结构相互联系 ，因此在工 第期中国安全生产科学 技 术 作面面临两面采空时两工作面覆岩协同运动形成 “ ” 型覆岩结构 ，见图所示。 陷曲线 、 构造无法 幵 采区域 。 。。 ■ 、 奋 遍 煤层 塑中间结构未采工作 工 柱 工 图 ‘‘ 型覆岩空间岩层侧向应力计算模型 图覆岩空间结构示意图 工作面实体煤侧煤体的侧 向支承压力 “ 型覆岩空间结构指的是老顶及其以上直至 由自重应力 和应力增量 等两部分组成，即 地表的岩层，但在特厚煤层中，基本顶破裂高 度 远大于 一般厚度 的煤层，特厚煤层 “ 型覆岩空间 支承压力可由如下公式计算得出 结构可理解 为在横向上两工作面覆岩结构协调运 忘工 动形成大的压力拱，倾向拱前后脚位于本工作面和 厶 上工作 面某区域；在纵向上，平衡结构向上发展平 ；英 衡结构以下为断裂铰接结构，岩层周期性断裂形成 （ 周期性压力显现特征平衡结构上的高 芒 岩层通过 式中为距离工作面距离为第层关 逐层传递 ，将自重应力传递到上工作面采空区奸石 键层实体煤 侧产生的最大支承压力， 和本工作面实体煤上，平衡结构的失稳会导致矿震 为第层关键层厚度，依据理论分析和生 发生。对下位岩层的周 期来压暂时无法定量计算， 产经验，水帘洞煤矿关键层只有 一层 ，且未知区域在 但是可以分析受 型覆岩空间结构上侧支撑线应 煤层上方 ， 为第 层关键层厚度中心到 力集中的影响此阶段 工作面的周期来压步距 煤层底板的距离 好 会比工作面开采初期短，支架平均受 力会更大 ，同 为采空区宽度，近似取两个工作面的斜长之和， 时，工作面上中下三部分压力显现会有 一定 区别 ；对 为第层关键层在采空区悬露部分重量的 于型覆岩空间结构上侧支撑线传递至实体煤中 一半 ， 为第层关键层厚度中心位 的倾向支承压力值煤层倾角 为简化计算， 置在采空区的悬露长度 为 岩层 其中以水平煤层计算，可以建立岩层应力计算模型， 容重。得到 的 工作面下平巷中倾向支承压力 如图所示。 的计算结果见表 。 表倾向支承压力 工作面距离与倾向压力关系 距工作面距离 倾向压力值 在切眼位置东西共范围内安设有 监测系统监测煤层内部应力 变化特征 ；巷道顶板中 监测仪器 ，其中实体煤内打深度分别为 、、、、间位置打、、和 的钻孔 ，每个钻孔安设两 和 的钻孔 ，安设煤矿冲击地压实时监测系统个离层仪锚爪，监测不同层位的岩层相对位移变化 40 - 中 国安全生产科学技术第卷 特征，同时工作面安设自记型支架阻力监测系统监支承压力特征 测综放面 压力变化特征。具体测站布置图如图 因为侧向支承压力监测钻孔深度限制等实际情 所示。 况考虑到 一般情况下走 向支承压力和侧向支承压 、 力应力特征近似用走向支承压力特征与侧向 切 眼位 置仪 ， 支承压力进彳了比较，结果如图，监测结果显 除峰 歡小和距离工作面距离略有差异外，各测点的压 二 顶板离层仪 力值显现的压力变化规律与计算值变化规律基本 一 致，可知建立的特厚煤层 “” 型覆岩空间结构模型 基本正确，基于此模型的侧向支承压力 的计算方式 可以在类似情况下应用。 钻孔应立计 钻孔支承压力实测值 「 钻孔支承压力实 测值 入 钻孔支承压力实 测值 支承压 力计算值 旧 图 工作面监 测测站布置图 思 ‘ 為 、 ；；； 工作面来压特征 现场监测的 工作面初 次来压步距为 距离工作 面距离 在工作面推进至 工作面切眼位置时 ， 工作面发生第 次 周期 来压，第次周 期来 支承压力 算值与实测值对比图 压至第 次周期来压平均步距 左右 ，来压时 位移 特征 平均最大阻力为 ，平均最大加权压力 对靠近 工作面切眼位置的沿空巷道各层 平均动载系数稳定在 左右；第次 位覆岩离层量的监测结果如图 所示。 周期来压至第次周期 来压平均步距 左右 ， 周期来压显现程度呈现大小依次交替的模式来压 岩层 某本顶二角块 一 时平均最大阻力为平均最大加权压力 曰 ■ 平均动载系数稳定 在 左右 ；可知最 大压力值小幅增加，平均最大加权压力变小且趋于 嬰 稳定具体支架压力统计如图。 一 ““ 八 距离工作面距离 图各层位岩层离层位移值 二 “力 结果細，岩巾顧板位置岩层、 ‘ ； ； 岩层首先发生离 层 ，与此同时距巷道顶板 和的基本顶发生 一定 速率的离层，在工作 面后 方 左右时 ，即在端头位置附近基本顶三角块 图 支架载荷统计图 发生滑落 ’离层量由瞬间变化到 左 右，可知此时发生结构失稳这与 “ 型覆岩空间结 第 期 中国安全生产科学 技术 构至 “” 型覆岩空间结构的转换过程中，端头三角 成云海，姜福兴程久龙关键层运动诱发矿震的微震 块快速失稳形态的分析基本 一致 。 探测初步研究煤炭学报 ， 结论 基于矿压知识和空间覆岩结构理论 ，以水帘 洞特厚煤层工作面为工程背景，依据特厚煤层 彳 工作面回采过程中面临的 面采空至两面采空边界 姜福兴采场覆 岩空间结构观点及其应用研究 条件的转换过程，将覆岩结构分为 “” 型 、 “ 采矿与安全工程学报 型和型覆石空间结构。 系统分析了 工作面 “” 型、 “” 型 和 “” 型覆岩空间结构覆岩断裂运移特征，通过建 立力学模型，计算各阶段矿压显现特征，分析矿山压 张永久特厚硬煤层综放工作面护巷煤柱合理宽度研 力事件。 究硕士学位论文安徽理工大学 通过工程监测，对工作面矿压特征，实体煤 张永久成云海 ’等 特厚硬煤层综放开采合理区段煤 伽丨■士本士典电苗山访中处丨丨 柱尺寸研究 煤炭工程， 丨 侧向支承压力 和巷道覆石离层特征仃头时在线监 测。结果細实测侧向支承压力等矿压应力特征 与分析值基本 一致 也准确分析发生周期来压等矿 山压力事件的时间与位置，实际结果与分析值的高 ， 度相似表面研究结果可以在类似条件下推广运用。 何廷峻工作面端头悬顶在沿空巷道中破断位置的预 测 煤炭学报 参考文献 钱鸣高，石平五矿山压力与岩层控制 徐州中 国矿业大学出版社， 钱鸣髙，缪协兴许家林岩层控制中的关键层理论研 成云海 ，姜福兴庞 继禄特厚煤层综放开采采空区 究煤炭学报，， 侧向矿压特征及应用煤炭学报，， 浦海，缪协兴采动覆岩中关键层运动对围岩支承压 力分布的影响 岩石力学与工程学报，增 史红 ，姜福兴基于微地震监测的覆岩多层空间结构 倾向支承压力研究岩石力学与工程学报，， 成云海微地震定位监测 在采场冲击地压防治中的应 用博士学位论文山东科技大学，，