带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究.pdf

第 22 卷 第 8 期 岩石力学与工程学报 2281239～1243 2003 年 8 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.， 2003 2001 年 11 月 7 日收到初稿，2002 年 1 月 6 日收到修改稿。 * 山西省青年基金资助项目20001012。 作者 胡耀青 简介男，38 岁，博士，现任副教授，主要从事岩石力学、带压开采及数值计算等方面的研究工作。 带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究* 胡耀青 1 赵阳升1，2 杨 栋1 段康廉1 1太原理工大学采矿工艺研究所 太原 030024 2中国矿业大学采矿工程系 徐州 221008 摘要 运用大型三维固-流耦合模拟实验台，对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了三维模拟，分析了煤层顶板 应力-位移的变化规律，解释了煤层顶板垮落的一系列现象，总结了顶板活动的影响因素，为采掘活动引起地表移 动的研究提供理论参考。 关键词 采矿工程，三维模拟，煤层顶板，带压开采 分类号 P 618.11 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200308-1239-05 STUDY OF 3D SIMULATION ON BREAKAGE FOR COAL FLOOR IN MINING ABOVE AQUIFER Hu Yaoqing1，Zhao Yangsheng1 ，2，Yang Dong1，Duan Kanglian1 1 Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024 China 2Department of Mining Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China Abstract By using the 3D solid-flow coupling simulation experiment equipment， the law of stress， displacement of coal floor of Dongshan Colliery in Taiyuan，during mining above aquifer is studied. A series of breaking down phenomena of coal floor is explained，and the influence factor on active coal floor summarized. The theoretical reference is provided for the study of the movement of the earth surface due to the mining. Key words mining engineering，3D simulation，coal floor，mining above aquifer 1 引 言 煤矿顶板变形破坏规律研究的主要对象是工作 面上覆岩层运动的规律，这方面的研究前人已做了 大量的工作，提出的很多假说解释了顶板的活动规 律[1 ～5]，主要有压力拱假说、悬梁假说、预成裂隙 梁假说、铰接梁、铰接拱假说等，并从力学的角度 分析了上覆岩层的受力情况，根据极限平衡理论计 算其破断跨距、平衡条件等，运用现场实测、实验 模拟、数值方法等手段研究了顶板应力随采动的变 化规律，得出了许多适用于不同场合的规律及理论 计算方法，为煤矿的安全生产做出了突出的贡献。 本文在前人研究的基础上，利用太原理工大学 采矿工艺研究所研制的大型三维固-流耦合模拟实 验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了立体 模拟，得出了一系列有意义的结论，本文仅讨论煤 层顶板的变形破坏规律，且由于底板承压水对煤层 顶板的变形破坏影响相对较小，所以暂不考虑承压 水耦合作用的影响。 2 实验及测试设备 本实验采用太原理工大学采矿工艺研究所研制 的三维固-流耦合模拟实验台见图 1，属国内外首 创，其外型尺寸为 3 m2 m2 m，轴向加载力为 9 103 kN，最大模拟采深为 1 200 m。本实验靠侧向 槽钢及有机玻璃约束产生侧向力，除常规三维模拟 1240 岩石力学与工程学报 2003年 外，最大的特点是可做真实的固-流耦合模拟实验， 再现底板承压水随采动流动的规律，与本实验台配 套的设备是自制的简易联合刨煤机见图 2， 可完成 割煤、运煤、工作面及巷道支护等任务。 3 模拟方案 本实验以太原市东山煤矿一采区带压开采为 例，开采水平为450～650 m，盖山厚度为 400～ 450 m，平均厚为 425 m。F10断层将其分为左、右 两部分， 本实验模拟其左翼， 即560～650 m水平。 见图 3，从下向上模拟 3 个工作面，其工作面长度 分别为 60，80，100 m，煤柱宽度 20 m，煤层的开 采厚度 6 m，一次采全高，模拟断层一条。图 4 为 模拟平面图200 cm300 cm，采用 1∶100 的相似 比，在距煤层顶面 15 m的顶板埋设 20 个压力盒。 本实验的难点是相似材料配比，因除满足常规的相 似比之外，还必须满足渗透性相似，而这方面的资 料甚少，经过半年多的材料配比实验，得出了适用 第22卷 第8期 胡耀青等. 带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究 1241 于固-流耦合模拟实验的一系列配比方案详细资料 略。开采时，首先从侧面去掉一根槽钢，作为开切 眼，并开挖巷道；然后架设采煤机进行采煤见图 2。在开采的同时，记录顶板应力，从侧面有机玻 璃板观测走向方向顶板的垮落状态，并用微型摄像 仪拍摄采空区的垮落状态。 4 实验结果 由于篇幅所限，本文仅以Ⅰ工作面开采为例， 讨论顶板的变形破坏规律，其他工作面类似。在工 作面开采的同时，分别记录了顶板应力、变形过程 及采空区的垮落状态，详细分述如下。 4.1 顶板应力的变化规律 图 5，6 分别画出了顶板应力随Ⅰ工作面开采 的变化曲线及顶板应力随全部工作面开采的变化曲 线。由图 5 可以清楚地看到，当工作面推进到 18 m 左右时，1，2点的应力升高，但升高幅度较小； 随着工作面的推进，顶板垮落，其应力突然下降到 8 MPa 左右，之后又产生台阶式下降；随着工作面 的推进，又产生缓慢回升。其他点也出现类似的情 况， 但没有出现台阶式的下降， 其原因主要在于 1， 2点距开切眼较近，顶板垮落高度只有 4 m左右， 而压力盒布置在距煤层顶面 15 m， 应力不可能完全 释放；之后，随着顶板周期性的垮落，应力出现台 阶式的降低，其他点距切眼较远，当工作面依次推 进到 3～6点时，采空区顶板已产生大面积的垮落， 且垮落厚度大，应力产生一次性的释放。由图 6 可 以看到，随着工作面的回采时间的延长，应力又产 生回升，但没有恢复到原岩应力10 MPa 左右状态， 其原因是煤柱支撑了部分顶板的压力，这与前人得 出的结论基本一致。 结合其他工作面的测试结果，可以得到以下结 论 1 应力集中区高于原岩应力区一般在工作 面前方 35 m 左右，应力最高点在工作面前方 10 m 左右； 2 应力集中系数在很大程度上受开采方法的 影响，在本实验过程中，Ⅰ 面最大应力集中系数 K 为 1.9，Ⅱ面为 1.5，Ⅲ面为 1.3，可见工作面越宽， 应力集中系数越大； 3 采空区内垮落岩层所承受的压力在很长时 间内恢复不到原岩应力状态，且工作面越短，恢复 的程度也越低。 4.2 顶板变形破坏规律 图 7 为顶板第 1，2 次垮落时走向冒落情况。当 工作面推进到 15 m 时，顶板第 1 次垮落，垮落厚 度为 4.3 m。 从摄像仪观测的图像可以看到， 顶板呈 梁式承载结构， 由于摄像仪拍摄面积有限因距离较 近，可以连续观看，但无法拍摄其全貌，所以进行 了素描，其倾向素描图见图 8。当工作面推进到 55 m时，顶板第 2 次垮落，最大冒高 9.4 m，与此 同时，顶板产生变形，出现裂隙，当工作面开采到 55 m 时，顶板产生大面积的台阶式垮落见图 7， 从摄像仪观看倾斜方向采空区垮落状态的素描图见 图 9。图 10 为开采 121 m时，顶板第 3，4 次包括 第 3 次垮落照片，最大冒高 24.4 m其中，第 3 次 垮落时，工作面开采 87 m，最大冒高 17.7 m。从 第 3 次垮落时采空区采集到的图像可以看出素描 1242 岩石力学与工程学报 2003年 第22卷 第8期 胡耀青等. 带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究 1243 开采完毕时的照片，从图中明显地看出，采空区冒 落岩层被压实，大的裂缝、离层闭合，在整个实验 过程中，顶板一直在缓慢的沉降。 通过详细分析整个实验过程可以看出，煤层顶 板一直处于动态变化，其幅度、频度、规律受众多 因素的影响，是综合作用的结果。一种理论或计算 公式只能适用于某种场合，单靠理论计算是不能解 决所有问题的。顶板的活动是一个复杂的、连续的 过程，精确的定量分析是不可能的，只能从工程出 发做一些量化，指导安全生产，本实验充分证明了 它的复杂性。可以看出，在走向方向上，随着工作 面的回采， 产生周期性的垮落， 垮落步距在 28 m左 右，与实际情况基本相符，不同的是初次垮落工作 面推进 15 m步距远小于现场，这是实验设备所致。 因为本实验不存在与现场相同的开切眼，不能看作 初次垮落；另一方面，其走向破断角β 见图 7也在 不断变化，起初在 55 左右，随着工作面的推进，β 角在减小，最后稳定在 45 左右。这说明当采空区 顶板悬露面积小时，顶板的破坏主要是垂向剪切破 坏，相当于跨度小的简支梁或板；当悬露面积较 大时，主要是弯剪破坏。顶板的垮落状态、冒落高 度不仅与岩层本身特性有关，而且与开采方式、支 护方式有关。初期冒落时，顶板主要呈梁式或板式 承载结构，最后发展到压力拱承载结构，拱脚随着 工作面的开采而移动， 顶板明显呈三带， 即破碎带、 裂隙带、弯曲下沉带，这与前人的结论是相符的。 从上覆岩层的采动影响高度来看， 最后稳定在 45 m 左右，这个高度不仅与顶板岩性、开采方式有关， 最主要的是开采煤层的厚度。本实验开采煤层的厚 度为 6 m，即采动影响区的高度大体是开采煤层厚 度的 7 倍左右。当然，此值只对本实验适用，对其 他情况要另作分析， 不能一概而论。 在倾斜方向上， 其规律大体与走向相同，不同的是，倾向垮落角 α 正好与走向相反。起初 α 小，随着顶板周期性的垮 落，角度 α 逐步增大，最后稳定在 45 左右，这主 要与顶板破坏的三带有关。起初 α 是由破碎岩层自 重垮落造成的，此后，随着顶板大面积的垮落，产 生裂隙、弯曲下沉，最后形成压力拱，即 α 角是受 采动影响而逐步增大，最后稳定。从整体来看，其 他的采掘活动也会影响本采空区上覆岩层的活动， 是相互影响、相互制约的。这说明通过优化开采顺 序，可使上覆岩层的活动量减小到最低程度。 5 结 语 煤层顶板的变形与破坏是开采过程中发生的一 系列力学现象与规律，它受众多因素的影响。从工 程角度出发，进行理论研究是必要的，定性的分析 研究基本趋于成熟，而定量化的研究只能针对某一 具体问题进行分析。因我国煤层地质条件复杂，开 采方法各异，很难得到普遍适用的理论公式。因此， 本人认为，在实验、现场实测的基础上，运用数值 计算方法进行规律化，是比较有效的手段。其运用 灵活方便，不必再考虑计算机的硬件问题，但其条 件是要取得与现场基本相符的原始资料，否则，会 脱离工程实际；另一方面，理论计算尽可能考虑多 种影响因素，借助于岩石力学、弹塑性力学、渗流 力学、固-流耦合理论等进行综合分析，这样可以避 免现场实测带来的一系列困难，得到事半功倍的成 效。 参 考 文 献 1 钱鸣高，刘听成. 矿山压力及其控制[M]. 北京煤炭工业出版社， 1984，69～81 2 郑少河，朱维申，王书法. 承压水上采煤的固流耦合问题研究[J]. 岩石力学与工程学报，2000，194421～424 3 谭云亮，王学水. 煤矿坚硬顶板活动过程中声发射特征研究[J]. 岩 石力学与工程学报，1992，113275～283 4 谭云亮，杨永杰. 煤矿顶板失稳冒落分形预报的可能性研究[J]. 岩 石力学与工程学报，1996，15190～95 5 靳钟铭，康天合，弓培林等. 煤体裂隙分形与顶煤冒放性的相关研 究[J]. 岩石力学与工程学报，1996，152143～149