急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型.pdf

第 3 3卷第6期 2 0 0 8年 6月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A C0 AL S OC I E T Y Vo l _ 3 3 No ． 6 J u n e 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 0 6 0 6 0 6 0 3 急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型 鞠 文 君 ， 李文 洲 1 ．北京交通大学 地 下工程研究 中心 ，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．煤炭科学研究总院 开采设计研究分 院 ，北京1 0 0 0 1 3 摘要通过对急倾斜特厚煤层水平分段 开采老项破坏特点的分析 ， 建立 了老顶沿倾斜方向悬臂 梁断裂的力学模型 ，推导得 出老项岩层悬臂梁能量表达式，提 出了爆破断项矿压防治技 术，并在 甘肃华亭煤矿试验成功． 关键词 急倾斜特厚煤层 ；水平分段 综放 开采；悬臂 梁结构 ； 爆破断项 中图分类号 T D 8 2 3 ． 2 5 4 文献标识码 A Fr a c t ur e me c ha n i c a l mo d e l o f ma i n r o o f a l o ng i n c l i n e d f o r f ul l y- m e c ha ni z e d t o p- c o a l c a v i ng i n s t e e p a nd e xt r a- t h i c k c o a l s e a m J O We n ． j u n r． L I We n - z h 0 u 1 ．U n d e r g r o u n dE n g i n e e r S t u d y C e n t e r ， B e ij i n gJ i a o t o n g U n i v e r s it y， B e ij i n g 1 o o 0 4 4， C h i n a ； 2 ． C o a l Mi n i n g a n dD e s ig n B r a n c h ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e O i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a Ab s t r a c t S t u d i e d t h e ma i n r o o f br o k e n c h a r a c t e r i n s t e e p a n d e x t r a ． t h i c k c o a l s e a m wi t h ho r i z o n t a l l y s e c t i o n e d 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，t h e f r a c t u r e c a n t i l e v e r mo d e l o f ma i n r o o f wa s e s t a b l i s h e d ．Th e c a n t i l e v e r e n e r g y f o r mul a o f ma i n r o o f wa s o bt a i n e d b y u s i n g f r a c t u r e me c h a n i c s ．At l a s t ，a d v a n c e d t h e b u r s t p r e v e n t i o n wa y o f r o c k b u r s t a n d a r r i v e d s u c c e s s i n Hua t i n g mi n e． Ke y wo r d s s t e e p a n d e x t r a t h i c k c o a l s e a m ； s e c t i o n e d 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； c a n t i l e v e r s t r u c t u r e； b U Ir s t e d ma i n r o o f 1 实验区情况 水平分段综采放顶煤开采是先进的急倾斜特厚煤层开采技术 ，在甘肃华亭 、新疆乌鲁木齐 、辽源梅河 等矿区应用取得了良好的技术经济效果．近年来 ，随开采深度的增加和开采强度的增大 ，急倾斜特厚煤层 开采矿压显现强烈 ，特别在华亭矿区，矿压问题严重影响了矿井 的安全生产．对于长壁开采工作面矿山压 力的研究。国内外学者做了大量的工作 ，比较有代表性的如前苏联学者格．恩．库兹涅佐夫提出的采场顶 板岩层铰接岩块假说，我国的钱鸣高院士和宋振骐院士分别提出的砌体梁理论 和运动岩梁理论等．但 这些模型是基于缓倾斜、薄及中厚煤层条件建立的，对于急倾斜煤层并不完全适用．急倾斜特厚煤层水平 分段综采放顶煤开采 ，与倾斜煤层开采 的巷道布置完全不同 ，两工作 面巷道沿煤层顶底板布置 通常称 为顶板巷 、底板巷 ，工作面沿走向推进 ，工作面长度较倾斜长壁开采要短得多 ，一般为 2 5～ 6 0 m，分段 高度 1 0～1 8 m．由于急倾斜特厚煤层埋藏条件和开采方式 的特殊 ，导致其矿山压力显 现的特殊性 和复杂 性 叫 ． 2 急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶倾向断裂力学模型 为了便于分析 ，把顶板倾 向断裂作为平面问题来考虑．急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采 ，当工作 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 _ 3 1 责任编辑 柴海涛 作者简介 鞠文君 1 9 6 5 一 ，男 ，内蒙古赤峰人 ，研究员 ，博 士研究 生．T e l 0 1 08 4 2 6 3 1 2 8 ，Em a i l w e n j u n j 2 6 3 ． n e t 维普资讯 第 6期 鞠文君等 急倾 斜特厚煤层水平分段 开采 老顶断裂力学模 型 面煤炭采 出后 ，采空区将被上部垮落煤矸所充填 ，若一次 开采段高为 1 0 i n ，则需 2 0～ 4 0 i n厚 的上覆煤矸 ，即沿倾 向可能有高达 3 0～5 0 i n范围的煤矸运动 ，在 直接 顶 比较 厚 、碎胀性 比较好 的情况下 ，在煤层倾斜方向可 以形成如 图 1所示的 “ 铰接梁”结构 J ，此结构与近水平及倾斜煤 层沿走向的 “砌体梁”结构模型有一定相似性． 按照钱鸣高院士提 出的 “砌体梁”理论 ，老顶岩层形 成砌体梁必须满足 2 个条件① 断裂的岩块应达到一定的 长度 ，须大于其厚度的 2倍 ；② 断裂 的岩块应达到一定的 厚度 ，分层厚度应远大于其下 自由空问的高度． 甘肃 华 亭 煤 矿 煤 层 厚 度 3 3 ． 8 6 ～6 8 ． 7 2 i n ，平 均 图 1 急倾斜水平分段放顶煤l开采 } 二 覆 围岩 “ 铰接梁 ”结构 Fi g ．1 Hi ng e s t r uc t u r e o f s u r r o u nd i ng r o c k i n i n c l i ne d c o a l s e a m 5 1 ． 5 1 lr n ，煤层倾角 4 5 。 左右 ， 直接顶为砂岩或粉砂岩 ，最小厚度 1 ． 2 6 lr n ，易垮落 ；老顶 为粉砂岩及细砂 岩 ，致密坚硬 ，厚度 4 0 lr n ，分层厚度 4～8 lrn ．采用急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤开采 ，分段高度 1 5 m．由于直接顶较薄 ，垮落的直接 顶岩层对采空 区的充填程度很低 ，煤体采出后 留出了很大 的自由空 间 ，不能满足 “砌体梁”理论 的条件② ，断裂的老顶岩层无法形成 “ 铰接梁 ”式的结构 ，坚硬 的老顶就 处于悬顶状态 ，形成一种仰起的 “ 悬臂梁”结构 图 2 ． 悬臂梁的支点处受到很高的集 中应力作用 ，造成下方煤体 内顶板巷压力明显 ，当悬臂达到一定长度就 会断裂 ，释放大量能量．短时间内释放大量 的变形能就会产生冲击 ，造成强烈矿压显现． 将悬臂梁进一步简化 ，如 图3所示 ．设顶板断裂后悬露长度为 Z ，来 自上覆 岩层 的载荷 为 q ，顶板受 载弯曲，顶板变形产生 的能量为 W Ma ／ 2 ， 其中， 为顶板弯曲产生的力矩 ； O t 为顶板弯曲产生 的转角． 【刳2 急倾斜水平分段放顶煤开采上覆围岩 “ 悬臂梁”结构 Fi g ． 2 Ca n t i l e v e r s t r uc t u r e o f s urro und i ng r o c k i n i n c l i ne d c o a l s e a m 图 3 悬臂 梁计 算模型 Fi g ． 3 Ca nt i l e v e r c a l c u l a t e mo de l 进一步推导得 出 W q C O S 卢 1 5 ／ 2 4 E I ， 其 中卢为煤层倾角 ；E 1 为悬臂梁截面惯性距． 由上式可以看 出，悬臂梁的能量和其载荷 的 2次方成正比，和其长度的 5次方成正 比，随倾角的增大 而减小．可见上方岩层对顶板施加 的载荷越大 、悬臂越长 、煤层倾角越小 ，顶板变形产生的能量越大 ，断 裂时对煤层 内巷道造成的破坏也越大．对于特定矿井 ，开采深度 、煤层倾角与厚度 、顶板强度与厚度等是 一 定的，因此设法减小悬臂梁的长度是降低其变形能的有效途径 ，可避免产生过大的应力集中和产生冲击 载荷 ，对维护巷道的稳定性和防止动力灾害十分有益． 3工程应 用 华亭煤矿工作面沿走 向推进过程 中周期来压并不明显 ，顶板岩层的沿倾 向周期性来压强烈 ，一般每开 采 2～ 5个分段有 1 次大的老顶垮落 ，造成矿压显现强烈 ，致使巷道发生强烈变形破坏 ，顶板巷遭受的破 坏尤其强烈．这正是由于老顶 “ 悬臂梁”结构的形成及断裂所致． 通过对悬臂梁模型的分析可知，缩短悬臂梁的长度 ，可大幅度减小梁体的变形能及支点附近的应力水 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 平．基于这一原理 ，对华亭煤矿采用深孔爆破卸压技术 ，即在每一分层顶板巷按一定 间距 向顶板钻孔进行 爆破 ，人为地切断老顶岩层 ，使采空区顶板规则性垮落 ，缩短悬顶长度 ，削弱采空区与待采区之间的顶板 连续性 ，控制或削弱顶板来压时的强度和冲击性 图 4 ．为了定量地检测爆破工作的效果 ，在华亭煤矿 6 0 2 、6 0 3 顶板工作面巷道布置钻孔应力计监测煤体应力的变化情况．钻孔应力计预先布置在未受工作面 支承压力和爆破作用影响范围内，当在 6 0 1和 6 0 2顶板工作 面巷道进行一段时 间的爆破作业后 ，安装 在 6 0 2顶板工作面巷道的钻孔应力计的监测结果表明， 煤体应力大体呈阶段性降低的趋势，如图5所示． 图4 顶板断裂爆破炮孔布置 Fi g ． 4 Bu r s t po i n t s d i s t r i b u t i o n o f r o o f f r a c t u r e 6 复 善 z 靠近 工作面 I ．．．． ．．．． ．．．． ．．．． ．．．．． ．．．． I．．． ．．．．． ．．．．．． ．．．．． ．．．．． ．．．．．- ．．．．． ．．．．． ．．． ．．．．．． ．．．． ．．J ．．．．． ．．．．． ．．．． ．．． 4 月8 日 4 月2 8 日 5 月 1 8 日 6 月7 日 6 月2 7日 日期 图5 煤体相对应力监测结果 F i g ． 5 Mo n i t o r r e s u l t s of c o a l r e l a t i v e s t r e s s 从数值模拟和现场观测的结果看，爆破措施采取后，工作面前方超前支承压力影响范围位置及峰值大 小和位置发生明显变化，煤体应力得到显著降低，巷道维护状况明显改善． 4 结 论 1 急倾斜特厚煤层水平分段开采 ，在一定 的煤层倾 角、直接顶较薄老顶厚 而坚硬 的条件下 ，老顶 在倾斜方向形成悬臂梁结构， 悬臂达到一定值就会断裂，断裂时释放大量能量，致使下方巷道变形破坏． 2 悬臂梁所积聚的能量与其载荷的2 次方成正比，与其长度的5次方成正比．降低顶板的应力水 平 ，减小悬臂长度 ，是急倾斜特厚煤层水平分段开采矿压防治的有效途径． 3 通过爆破断顶的方式对顶板预先断裂 ，可以减小悬臂长度 ，均化集 中应力 ，避免积聚能量过大． 4 华亭煤矿实际应用表明，顶板悬臂 的存在和周期性断裂是造成顶板巷矿压显现强烈 的重要原 因， 爆破断顶可明显降低沿倾斜方向周期来压的强度，有效防止冲击载荷的产生，提高巷道稳定性． 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，刘听成．矿山压力与岩层控制 [ M] ．北京煤炭工业出版社，1 9 8 4 ． [ 2 ] 石平五，高召宁．急倾斜煤层开采围岩与覆盖层破坏规律 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 3 ，2 8 1 1 3～1 6 ． S h i Pi ng wu，Ga o Zh a o ni n g．Th e f a i l u r e l a ws of s u r r o u nd i n g r o c k s a nd o v e r l y i n g b e d i n t h e s t e e p s p e c i a l t hi c k ne s s s e a m mi n ’ i n g[ J ] ．J o u r n al of C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 0 3 ，2 8 1 1 3～1 6 ． [ 3 ] 鞠文君 ， 李前，魏东，等．急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征研究 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 6 ，3 1 5 5 5 8～ 5 61 ． J u We n j u n ，L i Q i a n ，We i D o n g ，e t a 1 ．P r e s s u r e c h a r a c t e r i n c a v i n g s t e e p i n c l i n e d a n d e x t r e me l y t h i c k c o a l s e a m w i t h h o r i - z o n t al l v g r o u p e d t o p ． c o a l d r a w i n g m i n i n g m e t h o d[ J ] ．J o u rna l of C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 0 6，3 1 5 5 5 8～5 6 1 ． [ 4 ] 鞠文君 ，魏东 ， 李前．急倾斜特厚煤层水平分层开采岩层移动规律研究 ，地下开采现代技术理论与实践 [ R] ． 北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 7 ．6 3 9～ 6 4 5 ． J u We n j u n ，We i D o n g ，L i Q i a n ．L a w of s t r a t a a n d s u r f a c e m o v e m e n t d u e t o m i n i n g h o r i z o n t al s l i c e of s h a r p i n c l i n e d a n d v e r y t h i c k c o al s e a l T 1 ． T h e o r y a n d P r a c t i c e of m o d e rn u n d e r g r o u n d m i n i n g t e c h n o l o g y[ R] ．B e i j i n g C h i n a C o al I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e，2 0 07． 6 39～6 45． 维普资讯