底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析.pdf

第4 5 卷第1 2 期 2 0 2 0 年1 2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 D e c ． N o ．1 2 2 0 2 0 移动阅读 张晨阳，潘俊锋，夏永学，等．底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 8 4 3 9 9 4 ． Z H A N GC h e n y a n g ，P A NJ u r l f e n g ，X I AY o n g x u e ，e ta 1 ．I n f l u e n c em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o na n a l y s i so fb o t t o mc o a l 1 a y e rt h i c k n e s so nn o o rr o c kb u r s t [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 8 4 3 9 9 4 ． 底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其 应用分析 张晨阳1 ’2 ’3 ，潘俊锋1 ’2 ’3 ，夏永学1 ’2 ’3 ，杨光宇1 ’2 ’3 ，刘少虹1 ’2 ’3 ，陆闯1 ’2 ’3 1 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京l O o o l 3 ；2 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭科学研究总院开采研究分 院，北京1 0 0 0 1 3 摘要为研究底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制，以厚度为3m 以下的薄及中厚底煤为分 析对象，基于掘进巷道底板冲击特征并采用理论分析，建立底板煤岩层叠体梁挠曲破坏力学模型， 底板煤岩层挠曲变形曲线具有同步异幅的发展特性。公式计算表明，随着底煤厚度的增加，底煤积 聚弹性能逐渐增加，增加梯度逐渐平缓，其与底煤厚度的4 次方倒数具有负相关关系。通过 F L A c ”数值模拟开展底板煤岩主应力、塑性区及弹性能分析，结果表明，巷道底板岩层是主要的冲 击动力能贮存体，而底煤是主要的动力释放显现体；底煤通过影响底板潜在冲击启动区、潜在冲击 能量传递区、潜在冲击地压显现区的范围、贮存能量以及3 者之间的依存位置，进而影响底板煤岩 层之间的能量储存与传递机制，从而影响底板冲击地压的形成过程。底煤相对于底板岩层具有较 弱的弹性能储存能力，底煤厚度是影响底煤储存弹性能量的关键因素，底煤厚度通过影响底煤与底 板岩层之间的弹性能量传递能力从而影响底板冲击危险性。随着底煤厚度的增加，底板冲击危险 性逐渐增加，增加梯度逐渐降低；当底煤厚度增加到2m 时，底煤厚度的再增加对底板冲击危险性 无明显叠加影响，呈现出底煤厚度对底板冲击危险性影响的阈值效应。留底煤底板卸压时，应针对 底板岩层采取解危措施，阻断应力传递路径，减小底板能量积聚，从而降低底板冲击危险性。研究 成果在现场进行了应用分析，通过钻屑法监测显示解危效果良好。 关键词底板冲击地压；掘进巷道；底煤厚度；底板煤岩；底板卸压 中图分类号T D 3 2 4 文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 1 2 3 9 8 4 1 1 I n n u e n c em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o na n a l y s i so fb o t t o mc o a ll a y e rt h i c k n e s so n n 0 0 rr o c kb u r s t Z H A N G C h e n y a n 9 1 ’2 广，P A NJ u n f e n 9 1 ’2 r ，X I AY o n g x u e l 2 r ，Y A N GG u a n g y u l 2 一，L I US h a o h o n 9 1 ，2 r ，L UC h u a n 9 1 2 3 1 ．c c 旭Gc o n f 肘溉n g 脓唧r c 加比“把，＆析增1 0 0 0 1 3 ，∞i n n ；2 ．c o n z 胁n i n g 口n d 仉s 培凡D 鲫e 却M 眦，n 口凡出5 c i e n c e 肌d 孔c 凡o z o g yc o ．，厶d ．，＆i - ∥昭 1 0 0 0 1 3 ，c i n o ；3 ．c o 口f 心砌w 口凡dD 部函n 日m n c ，醌i n nc o o fR 船∞r c 肺m 眦，B e 咖增1 0 0 0 1 3 ，吼讯n A b s t r a c t F o rt h i na n dm e d i u m t h i c kb o t t o mc o a ll a y e rw i t ht h i c k n e s so fl e s st h a n3m ，i no r d e rt os t u d yt h ei n n u e n c e m e c h a n i s mo fb o t t o mc o a l1 a y e rt h i c k n e s so nn o o rr o c kb u r s t ，b a s e do nt h ei m p a c tc h a r a c t e r i s t i c so fn o o ri ne x c a v a t i o n r o a d w a va n dt h e o r e t i c a la n a l v s i s ．t h em e c h a n i c a lm o d e lo fd e n e c t i o nf a i l u r eo fc o a l ．r o c kl a m i n a t e db e a mo fn o o rw a s e s t a b l i s h e d ．T h ed e n e c t i o nd e f b r m a t i o nc u n r eo fn o o rc o a la n dr o c kh a st h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs v n c h r o n i z a ． 收稿日期2 0 2 0 一0 5 0 9修回日期2 0 2 0 0 6 3 0责任编辑韩晋平D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 2 0 ．0 8 3 5 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F c 0 8 0 4 2 0 2 ，2 0 1 7 Y F c 0 8 0 4 2 0 4 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 7 0 4 1 5 5 作者简介张晨阳 1 9 9 2 一 ，男，山西灵石人，研究实习员，硕士。T e l 0 l O 一8 4 2 6 3 8 8 0 ，E m a i l z c y 5 7 9 1 2 6 ．c o m 万方数据 第1 2 期张晨阳等底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析 t i o na n dd i f I b r e n ta m p l i t u d e s ．’1 1 h ef b m u l ac a l c u l a t i o ns h o w st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fb o t t o mc o a ll a y e rt h i c k n e s s ，t h e a c c u m u l a t i o ne l a s t i ce n e r g yo fb o t t o mc o a l1 a y e r 铲a d u a l l yi n c r e a s e s ，a n dt h ei n c r e a s eg r a d i e n tg m d u a l l yb e c o m e sg e n - t l e ，w h i c hh a san e g a t i v ec o I T e l a t i o nw i t ht h er e c i p r o c a lo ft h ef o u r t hp o w e ro fc o a lt h i c k n e s s ．T h eF L A C 3 un u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a su s e dt oa n a l y z et h em a i ns t r e s s ，e l a s t i c p l a s t i cz o n ea n de l a s t i ce n e I j g y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o o r m c kl a y e ro fr o a d w a yi st h em a i ni m p a c td y n a m i ce n e r g ys t o r a g eb o d y ，a n dt h eb o t t o mc o a l1 a y e ri st h em a i np o w e rr e l e a s em a n i f e s t a t i o n ．T h eb o t t o mc o a l1 a y e ra f 玷c t st h ee n e r g ys t o r a g ea n dt r a n s f e rm e c h a n i s mb e t w e e nt h eb o t t o mc o a l a n dr o c kb y 舭c t i n gt h es c o p eo ft h ep o t e n t i a lm c kb u r s ts t a n - u pz o n e ，t h ep o t e n t i a le n e r g ，t r a n s f e rz o n e ，t h ep o t e n t i a l m c kb u r s to c c u r r e n c ez o n e ，t h es t o I ．e de n e r g y ，a n dt h ed e p e n d e n c eb e t w e e nt h et h r e ez o n e s ．T h i sw i Ua f f b c tt h ef b 珊a - t i o np r o c e s so ft h en o o rr o c kb u r s t ．B o t t o mc o a l1 a y e rh a saw e a ke l a s t i ce n e r g ys t o r a g ec a p a c i t yr e l a t i V et ot h en o o r r o c kl a y e r ．T h et h i c k n e s so f b o t t o mc o a ll a y e ri sak e yf a c t o r 舭c t i n gt h es t o r a g eo fe l a s t i ce n e 嚼7o f b o t t o mc o a l ．T h e t h i c k n e s so fb o t t o mc o a ll a y e ra f k c t st h en o o rr o c kb u r s th a z a r db ya f k c t i n gt h ee l a s t i ce n e r g yt I - a n s f 宅ra b i l i t yb e t w e e n c o a la n dI ．o c k ．W i t ht h ei n c r e a s eo fb o t t o mc o a ll a y e rt h i c k n e s s ，t h en o o rr o c kb u r s th a z a r dg r a d u a l l yi n c r e a s e sa n dt h e g r a d i e n tg r a d u a l l yd e c r e a s e s ．W h e nt h et h i c k n e s so fb o t t o mc o a ll a y e ri n c r e a s e st o2m ，t h ei n c r e a s eo fb o t t o mc o a ll a y e rt h i c k n e s sh a sn oo b v i o u ss u p e r i m p o s e de f 亿c to nt h en o o rI D c kb u r s th a z a r d ，s h o w i n gt h et h r e s h 0 1 de f 琵c to fb o t t o m c o a l1 a y e rt h i c k n e s so nt h en o o rr o c kb u r s t ．W h e nt h ep r e s s u r eo fn o o rw i t hb o t t o mc o a ll a y e ri sr e l i e v e d ，i ti sn e c e s s a r y t ot a k em e a s u r e st oe l i m i n a t et h ed a n g e ro ft h en o o rm c k ，b l o c kt h es t r e s st r a n s m i s s i o np a t h ，r e d u c et h ee n e r g ya c c u - m u l a t i o no ft h en o o r ，a n dt h u sr e d u c et h er i s k o fn o o rr o c kb u r s t ．T h ea p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c hr e s u l t sw a sa n a l y z e d a n dV a l i d a t e do ns i t e ．M o n i t o r i n gb yt h em e t h o do fd r i l lb i t ss h o w e dt h a tt h ee f k c to fe l i m i n a t i n gt h ed a n g e rw a sg o o d ． K e yw o r d s n o o rm c kb u r s t ；e x c a v a t i o nr o a d w a y ．b o t t o mc o a ll a y e rt h i c k n e s s ；n o o rc o a la n dr o c k ；n o o rp r e s s u r er e l i e f 冲击地压是威胁煤矿安全高效生产的典型煤岩 动力灾害之一。近年来，掘进巷道底板冲击地压事故 日渐严重，造成巷道损坏、设备受损、人员伤亡，严重 威胁经济发展，影响社会稳定。J 。防治底板冲击的 关键在于对底板冲击地压机理的研究，底板冲击地压 机理研究的关键在于对其影响因素的分析。 底板冲击地压机理的研究方面，姜福兴等Ho 将 底板冲击分为2 种类型并提出相应的防治措施。徐 学锋等o 提出底板冲击矿压危险性系数的概念。潘 俊锋等∞o 开展了半孤岛工作面全煤巷道底板冲击启 动原理分析。谢龙等“ o 研究了侧压系数对动载诱发 特厚煤层巷道底板冲击的影响。肖治民等旧1 认为巷 道底板水平应力是诱发底板冲击的主要因素。李鹏 波等归1 结合尖点突变模型推导出底板失稳的必要条 件。史庆稳0 。研究了底板冲击诱发因素的影响规 律。张晨阳‘1 刈研究了底煤厚度对巷道底板冲击启动 的影响规律。对于影响冲击地压主控因素的研究方 面，国内学者针对断层等构造2 。13 I 、覆岩结构4 I 、地 应力5 | 、煤柱6 I 、动载Ⅲo 等对冲击地压的影响开展 了大量研究。国内华亭煤矿、峻德煤矿、砚北煤矿、崔 木煤矿、孟村煤矿、高家堡煤矿等均面临严峻的底板 冲击地压。这些矿井由于采用分层综采、大采高开 采、综放开采等而留设底煤；或是为防止含有蒙脱石 等黏土矿物的底板岩层遇水膨胀而留设底煤。上述 文献针对底板冲击的研究大多采用理论分析，也考虑 了不同因素的影响，对底板冲击地压影响规律研究具 有促进作用。但鲜有针对底煤厚度对底板冲击的影 响进行深入研究，难以对现场留设底煤的厚度选取提 供理论参考。 据此，笔者针对厚度为3m 以下的薄及中厚底煤 对底板冲击的影响机制，以某矿中央大巷留底煤底板 冲击地压为工程背景，以掘进巷道顶板、煤体、底板组 成的力学平衡系统为研究对象，构建针对底煤作用的 挠曲力学模型，揭示底煤厚度对底板冲击的影响机理 并应用于工程实践，以期为底板冲击地压矿井巷道底 煤厚度选取及底板卸压措施制定提供理论依据。 1 工程背景 陕西某冲击地压矿井主采4 号煤层，煤层厚度 3 ．7 0 2 6 ．3 0m ，平均1 6 ．2 5m ，埋深4 3 0 ～8 9 0m 。煤 层单轴抗压强度为2 3 ．1 3M P a ，具有强冲击倾向性。 顶板为粉砂岩，具有弱冲击倾向性。底板为铝质泥岩 等，无冲击倾向性。矿井采用盘区式布置，一盘区5 条中央大巷均布置在煤层中，煤柱宽度为3 5m 。中 央大巷采用直墙半圆拱断面，各回采巷道采用矩形断 面，所有巷道均采用锚网索支护，局部架设u 型棚。 矿井采用综采放顶煤开采方法。由于褶曲的存在，并 为防止底板铝质泥岩遇水膨胀，掘进巷道留有厚度不 等的底煤。 矿井自掘进以来，巷道动力显现日益明显。 万方数据 3 9 8 6 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 2 0 1 5 0 8 3 1 ，中央一号辅运大巷掘进工作面挂网期 问，掘进I 作面向后0 ～3 0m 发生冲击显现，煤柱 帮 右帮 最大帮臌量0 ．5n ，肩部变形量相对较大， 十余处大块浆皮被崩落，2 处锚网被撕裂，4 处木托盘 被压裂，图1 为冲击地压显现位置。 图1掘进大巷冲i { i 地胍显现位氍 F 嘻1 I ． J c a m nt n ‘ 挑} u J ’h li n J x 【、a v a t ‰1 r o a t l w a y 2 留底煤底板力学的分析 2 ．1 底板煤岩受力环境 巷道开挖之后围岩应力重新分布，上覆岩体自重 通过巷道两帮煤壁传至底板，形成高于原岩应力的侧 向支承压力。在侧向支承压力的影响作用下，底板岩 层承受轴向力的作用，底板轴向应力超过其破坏强度 以后便会发生挠曲破坏进而诱发底板冲击。 为便于计算，选取巷道断面为矩形，巷道倾角为 0 。，不考虑巷道支护、结构面等因素，底煤与底板岩层 具有良好的连续性与均质度。将巷道底板煤岩组合 体受力结构简化为杆件，两端约束形式为固支梁。底 板煤岩层叠体梁力学模型如图2 所示。图2 中，l ， 为底煤厚度；丁。为底板岩层厚度；％为原岩应力；q 。 为支承应力；q 为底板围岩反向作用力；B 为巷道宽 度；叼B 为支承压力的影响范围；叼为影响范围系数。 2 ．2 底板煤岩挠曲破坏模型 底煤厚度为3m 以下的留底煤巷道底板冲击失 稳的力学机理是底板煤岩在侧帮集中应力作用下发 生整体塑性剪切破坏，在水平应力条件下发生挠曲失 稳最终向巷道内滑移，从而造成底板冲击失稳现象。 底煤与底板岩层在挠曲作用下形成挠曲滑动界面，呈 现出明显的挠曲形变响应特征。因此，力学模型中底 煤与底板岩层具有共同的挠曲中心，两者的挠曲变形 曲线具有同步异幅的发展特性。据此，建立底板煤层 叠体梁受力模型如图3 所示。 巾图3 可知，底板煤岩叠体梁截面弯矩M 茗 由 外载荷作用而产生，故应有 M x M 。 戈 M 。 戈 1 式中，肘 戈 为作用于煤岩层卺体梁卜的整体梁截面 弯矩；M 。 x 为作用于底煤上的梁截面弯矩；M ．； 戈 g 网2 底板煤岩受力环境 F i g ．2 S t r e s se n v i “ n m e n to fn o o rc o a l r o c k 习 图3 底板煤岩层叠体梁挠曲受力模型 g ．3 D 瓿 r n l a t i o n fn t o rc o a l r J 1 k1 a m i n a t e 1 1 e a n l s 为作用于底板岩层上的梁截面芎矩。 根据煤岩层叠体梁在外载荷作用下发生挠曲变 形时，两者具有相同的挠曲中心与不同的挠曲变形幅 度，可得 寺 半 ㈦ J | Dw I 忐 警 ㈩ p 丁1 形R 、7 式中，p 为挠曲线挠曲半径；形。，为底煤弯曲截面系 数；形，；为底板岩层弯曲截面系数。 由式 2 ， 3 可得 M I 肘I { n 形R M I 一形IJ M R 4 由式 1 ， 4 可得 ％，2 衰 √ 彤， 睨 2 ％M 戈 [ 正，M 戈 2 ％一砜 ] 型盟等坠坠 5 2 E 、 、7 鸠t 一赢 √ 形。 ％ 2 r 。肘 戈 [ 正，M 戈 2 彤，一彤； ] 型盟芸盟 6 2 z 、 、7 根据上述分析，进一步优化底板煤岩层叠体梁挠 曲破坏模型如图4 所示。 上述底板煤岩层叠体梁为超静定梁，考虑到梁的 几何外形及载荷的对称性，根据两端固支的初始外界 万方数据 第1 2 期张晨阳等底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析 3 9 8 7 ⋯⋯⋯制⋯⋯⋯ ■ T 图4 底板煤岩层叠体梁挠曲破坏模型 F i g ．4 F 1 o rc o a la T l 1m c kI a n l i n a t e 【l1 e a md a l l l a g e dm 1 c l 求解，可知梁上任意截面的弯矩M x 为 吖 戈 一q o 戈2 一B q } 叼q ．。 戈 叮0 8 2 1 7 7 广’7 2 8 2 q 。．一q o [ 8 1 7 7 2 一叼2 ] 3 4 1 卵 2 ’ 0 ≤x ≤卵日 7 肌 ㈠。飞 戈一例2 一旦竿堕吼 q 。，B 2 1 叩 2叼2 日2 q 。．一g o [ 8 1 叩 2 7 7 2 ] 3 4 1 卵 2 ’ 7 7 日≤戈≤ 1 7 7 B 8 由杆件梁挠曲线近似微分方程可知 形I ，挚 q J q 9 ％挚 - q l 1 0 式中，q 。为底煤与底板岩层之间的接触压力；∞，∞。 分别为底煤与底板岩层的弯曲挠度。 同时， d 2 山I { d 工二 丁IJ M x 形D 形I { 1 √ 形D 形l { ‘ 7 ’L 朋 戈 l ’D 朋 戈 2 形D 一形I { J 1 1 由式 9 ～ 1 1 可得 q ， 吉M ” x 一{ i [ M7 x ] { [ M x 警] 2 半卜 抑戈，M 小半⋯肌， 半『 臀卜扣㈩，2m ， 半] 2 ∽卅半] 2 等 可 式中，M ’ 咒 ，肘” 戈 分别为肘 戈 的一次导数、二次 导数。 综上可知煤岩层叠体梁中煤层的挠曲线表达式 为 既 [ 掣 ‘ 吉h B 4 1 叼 4 一 q u q 。 戈一即日 4 ] ，B [ B q o 叩q 、， ] 戈3 1 3 据此可以计算底煤的极限变形能力，当底煤变形 超过极限挠度值时，其贮存弹性能达到极限，易诱发 冲击破坏。 2 ．3 底煤积聚弹陛能变化规律分析 根据上述分析，叠体梁中底煤的全梁弯曲应变能 ‰为 驴f1 们8 罂以 ⋯ 式中，E 为底煤弹性模量；，为底煤梁截面惯性矩。 根据冲击地压启动理论2 可得底板煤岩层叠体 梁冲击启动力学判定准则为 E o E d E 。 0 1 5 式中，E ，l 为顶、底板断裂弹性能传至底板的能量；E 。 为底板煤岩层叠体梁极限破坏能量。 由式 1 4 可得 d E r 2 h ”Ⅲ『M 戈 d M x M 2 x d ，1 。 瓦2 J 。 【1 厂面■一面可万瓦J 眦 f1 6 对式 1 6 整理可得 d E r 2 ‘ ”’8 『M x d 肘 戈 1 1 8 M 2 戈 1 ， 瓦2J 。【1 厂可F 一瓦T J 眦 1 7 对式 1 7 进一步简化可得 粤幽 丁。 1 8 。C ，7l ，．、l I J d7 1 ．、 、 ”7 、 丁．， 一者 1 9 由式 1 8 ， 1 9 可得 孥。c 一去 ㈣， 。C 一 Z J d r I 咒 、’ 巾式 2 0 可知，底煤积聚弹性能对底煤厚度的 一阶导数与底煤厚度4 次方的倒数具有负相关关系， 代人数值计算结果见表1 ，并绘制函数曲线如图5 所 万方数据 3 9 8 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 ，J j 。由图5 可知，随着底煤厚度的增加，底煤积聚弹 性能逐渐增加，增加梯度逐渐平缓，其与底煤厚度4 次方的倒数具有负相关关系。 表l底煤积聚弹性能对底煤厚度的一阶导数值 T a b l e1F i r s td e r i v a t i v ev a l u eo fb o t t o mc o a la c c u m u I a t e d e I a s t i ce n e r g yt ob o t t o mc o a lt h i c k n e s s 劁5底煤厚度对底煤积聚弹性能影响梯度 F 谤5 G r a d i e l l le f r e c h f } o t t o mc o a lt h i c k 1 1 e s so n1 J l t n 1 ‘。 ，a la c ’L l l l l L l l a t i ne l a s t i c i t v 3 留底煤底板的数值模拟 3 ．1 数值模型的建立 采用F I ．A c ”’数值软件，根据中央大巷地质工程 条件开展巷道掘进建模。，掘煤厚度为3m ，留底煤厚 度分别为0 ，0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5 ，2 ．0 ，3 ．0m ，即模型煤层厚 度分别为3 ．0 ，3 ．5 ，4 ．0 ，4 ．5 ，5 ．0 ，6 ．0m 。底煤厚度 取值与前述理论分析取值保持一致。底板岩层高度 为4 5m ，顶板岩层高度为3 1n ，，模型长宽分别为 1 2 0 ，6 0r n 。考虑到巷道开挖影响范围以及边界效应， 将开挖巷道布置于数值模型轴向中间位置，巷道断面 设置为矩形，巷道净宽、净高尺寸分别为4 ，3n ，，开挖 巷道长度为4 0n ，。 模型物理力学参数参考该矿4 号煤及其顶底板 实验室测定数据，具体见表2 。根据地应力测试结 果，模型中水平应力设定为垂直应力的1 ．5 倍，模拟 巷道埋深为6 7 0n 。模型采用摩尔一库伦本构模型， 四周及下部边界采用位移固定的加载方式，侧面边界 限制水平移动，底部边界限制垂直移动，上部边界为 自由面。 如图6 所示，x ，l ，，z 分别表示掘进巷道的轴向、 横向、垂向。红色及绿色虚线框分别表示位于掘进工 作面后方及前方的巷道断面，相对于基准面 掘进工 作面 距离分别为l ，3 ，5m 等，表示随巷道掘进 时距掘进工作面的不同距离。在上述监测断面所相 邻的底板中设置应力监测点，底板监测点z 1 ，z 3 ， z 5 ，z 7 分别表示距底板自由面1 ，3 ，5 ，7m ，帮部监测 点 ，l ，玛，y 5 ，“ 分别表示横向方向七距离巷道中轴 线l ，3 ，5 ，7m 。模拟掘进时，对模型预先开掘3 0m ， 运行至稳定之后再次开掘1 0m 。考虑巷道掘进速 度，计算时步设定为3 0 时步。 表2 煤岩物理力学参数 T a b l e2 P h y s i c a Ia n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc o a lr o c k 煤， 戮￡汀I 龇兰裟5 黜7 嬲鸶 中粒砂岩 8 ．5 10 ．2 61 ．6 854 粗粒砂岩 63 lO2 5l3 l5 ．4 粉砂岩 1 ．2 0O ．2 04 ．0 05 ．0 4 哆煤2 ．6 5O ．3 31 ．3 35 ．0 泥岩 l2 002 040 05 ．O 巾粒砂岩 85 10 ．2 61 ．6 85 ．4 图6 巷遁开挖模拟方橥 F i g ．6R o a d w d ye x c a v a l i J 1 1s i n l u l a t i 【ms c h e m e 3 ．2 底板煤岩主应力的分析 图7 为巷道掘进之后的轴向、横向应力场云图。 可见，掘进巷道开挖之后距离底板一定范围的围岩应 力得到释放，底板应力向深处转移直至达到原岩应力 状态。底板煤岩中x 方向应力场相对于，，方向、z 方 向应力场更为集中。因此，为突出研究随掘进巷道掘 进工作面推进时，底煤厚度变化对底板煤岩主应力分 布演化影响规律，提取底煤厚度分别为0 ，0 ．5 ，1 ．0 ， 1 ．5 ，2 ．0 ，3 ．0m 的模型中底板应力数据，绘制不同模 型中距底板不同距离处的x 方向应力随掘进工作面 推进演化曲线如图8 所示。图8 中至掘进工作面距 离为正值表示在掘进工作而前方，尚未开掘；至掘进 工作面距离为负值表示在掘进工作面后方，已经开 掘。 由图7 ，8 可知，掘进巷道掘进工作面推进时，底 煤厚度变化对底板煤岩应力的影响区域主要位于掘 进工作面后方。随着距自由面距离的增加，底煤厚度 对底板煤岩应力的影响逐渐减弱，并趋于0 ，提取底 板煤岩三向主应力集中系数值如图9 所示。 万方数据 第1 2 期张晨⋯等底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析 3 9 8 9 a x 方向 巷道轴向洲m lb y 方向 巷道轴向舟j 面 c z 方向 揸道轴1 i _ l j 削而 d x 方‘向 特通儆m 卉l 而 e y 方向 巷道攒㈣削m 1 ’ z 方向 巷道横⋯削m 1 矧7 掘进巷道外挖J 、V 力云图 F 唔．7 S l lP s s 【’l o u 1d i a g r a n l I I ’ a I l w a ye x c a v a Ii t J l l 距底板1m 冀 一底煤厚度O 3 0 底煤厚度O ．5 m 2 5 一簇嚣垂z 。底煤厚度1 ．5m 气～ 一底煤厚度2 ．Om 。l 5 底煤厚度3 ．O ⋯ 1 0 t 二≥d L 洲。倾h 1 5 皇10 b 趴底板7m；9 。。 ’吾；毽越 ’‘ ＼ 一底煤厚度0 b 底煤J‘副堑0．5m 1 5 一底煤J，，度1．Om 1 0 一 底煤厚度1 ．5 m 一底煤刖叟2．Om一 一底煤厚度3 ．O m一磁船，m ； k 甜倾2 m 底煤厚度O ．5 m ～ 一底煤厚度1 ．0m30 一底煤厚度3 ．O mb 。Ⅵ i 剽d／N．矽 帅氐板5。。絮 l 豸泰 L 一底煤厚度O F 3 滞 ～ 一底煤厚度1 Omo2 0 底煤厚度1 ．5l nl‘ 一底煤厚度2 ．O ⋯1 0 一底煤厚度3 ．0 m。 趴底扳9 。。 ‘●- - _ 一 25 皇2 0 一 一底j j | l 盼度O 底 粜J ’，5 』叟O ．5 o l 5 一一底煤Ⅳ』变1．Om 底煤Ⅳ』{1．5 1 0 一 一底煤肛腰30 m 3 02 01 001 02 03 03 02 01 0O1 02 03 0 至掘进至掘进 罔8 掘进I 作面前后x 方m 主席力演化曲线 F i g ．8 ■一I I i I ．r 【‘“【 np r i l l ’i p d 】s I i ’P s se v o l u t i o ‘‘L l l l v Pb r f l o r ea n 1a n c rt i “、7 i 1 1 9 Ⅵ’ r k i “gf o t ‘r 万方数据 3 9 9 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 0 l2 34 底煤J 4 度／m H9 底煤厚度与三向J 、t 力集中系数的关系 F i g ．9R e l a t i o n s h i po fb o t l 『1 1 - a lt h i c k n e s sa 1 1 Is I r e s s o n c e m r a l i t f 1 ‘ P m i e n t 应力集中所导致的应力增最是评判冲击地压危 险性的关键因素，也是诱发冲击地压发生的摹本力学 条件。。8 ‘1 9 l 。由图9 可知，底板煤岩x 方向 轴向 主 应力集中系数相义寸较高，约是y 方向 横向 、z 方 向 垂向 应力集中系数的1 ．4 倍左右，底板横向应 力场是煤岩冲击破坏的主导力源因素。随着底煤厚 度的增加，底板轴向应力集中系数表现出微小的波动 特征，总体呈现出上升的趋势；当底煤厚度增加到 2n ，再持续增加时，轴向应力集中系数呈现出明显的 卜降特征。底板横向应力集中系数在底煤厚度为 2n 时达到极大值，底板煤岩突破失稳极限发牛冲击 破坏的趋势较为显著。 3 ．3 底板煤岩塑性区的分析 图1 0 为掘进巷道数值模型中弹塑性区分布图， 图巾蓝色为弹性Ⅸ、靛色与橙色为剪切破坏区，绿色 与红色为剪切拉伸破坏区，图l l 为掘进巷道幽岩塑 。陀区体积与底煤厚度关系曲线 N o n c s h e a 卜ns h c a 卜D s } 1 e a 卜ns h e a 卜pt e n s i o n p s h e a 卜n s 1 1 e a r - pt e n s i o n p 5 】O O 49 0 0 48 0 0 图l O 弹塑性区分布 r i g ．10 I i s t r j b u t i o no fe l a s t i 【- 一p l a s t i cz o n 底煤厚度／m 冈I l底煤厚度与翅。陀区体积的关系 F i g ．Ill { e l a t i o n s h i po fI t t mc o a lt