岩层移动内外 类双曲线 整体模型研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年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 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l j 蓦渗j _ _ 豢鍪ji 囊鏊j i _ i 。。 攥鞲 羹囊甏；j 鬈j 崭≯鞲薯辩鬈o ※■≯毖辩一 岩层移动石麽矽明内外“类双曲线“ 整体模型研究 左建平1 ’2 ，吴根水1 ’2 ，孙运江1 ’2 ，于美鲁1 ’2 1 ．中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 采矿岩石力学基础科学研究中心，北京1 0 0 0 8 3 摘要岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律，开采地表沉降则关注地面的沉降问题， 这2 个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为，可以建立一种能够描述覆 岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破 断与周期破断形态，建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩 层破断移动边界“类双曲线”模型，提出了采用内外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规 律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型，在关键层近似“上 下”对称；外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型，在工作面的中垂线附近近 似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部，可通过地球物理探测方法近似获得；外“内双曲 线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及u D E C 数值计算方法验 证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型。此外，还分析了内 外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明在厚松散层水平煤层开采条 件下，建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小，表明岩层整 体移动存在“类双曲线”特征。 关键词内外“类双曲线”模型；岩层移动；关键层；漏斗式拱；u D E C 模拟 中图分类号T D 3 2 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 3 3 3 一1 1 I n V e s t i g a t i o no nt h ei 姗e r 锄do u t e ra n a l o g o u sl I y p e r b o l am o d e l A H 卫订 o fs t r a t am o v e m e n t Z U O J i a n p i n 9 1 ”，W UG e n s h u i ’一，S U NY u n j i a n 9 1 ”，Y UM e i l u l 2 L 、．s c h o o t M e c h 胀sn 以c 讨aE 哩i M e r t 鸭．C h t n o U n 洫r s 时对M t n i 鸭＆R c h n o b 静t B 啦t R 扑．B e ≈t n g1 0 哟褐，c h t n n ≮2 ．8 ∞i cs c 泌n c eR 档e 甜c h C e 眦r 旷胧n f ，l gR o c f e c h n 酞，饥f №№f l 】e H 渺旷胁n i n g ＆7 ．e c n o f 0 彰 ＆谚n g ，＆彬n gl 0 0 0 8 3 ，m 打Ⅺ A b s t r a c t T h et r a d i t i o n a ls t r a t am o v e m e n tp a y sa t t e n t i o nt ot h es t r a t am o v e m e n tl a wo ft h eo V e d y i n gp a no ft h ew o r k i n g f a c e ，a n dt h em i n i n gs u d ．a c es e t t l e m e n tp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h es u d ．a c es u b s i d e n c e ．T h e s et w od i f ．f e r e n tr e s e a r c hd i - r e c t i o n sa r ee s s e n t i a l l yr e l a t e dt ot h eo V e r a l lm o v e m e n tb e h a v i o ro ft h eo V e r l y i n gs t r a t aa n dt h es u r f a c es o i ll a y e ra f t e r m i n i n g ．I ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa no v e r a l lm o v e m e n tm o d e lo ft h em i n i n gs t r a t aw h i c hc a nb e t t e rd e s c r i b et h el a w so f t h eo V e r l y i n gs t r a t am o V e m e n ta n ds u d ’a c es u b s i d e n c e ．T h r o u g ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h ei n i t i a la n d p e “o d i cf h c t u r ep a t t e m so ft h er o c kb e a mt r a p e z o i db l o c ks t m c t u r ea r eo b t a i n e d ，a n dt h ec a V i n gc o n d i t i o n sa n dj u d g - 收稿日期2 0 2 0 0 7 2 6修回日期2 0 2 0 一0 9 2 5责任编辑常琛D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 2 0 ．1 2 5 4 基金项目北京市卓越青年科学家资助项目 B J J w z Y J H 0 1 2 0 1 9 1 1 4 1 3 0 3 7 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 6 2 2 4 0 4 ； 陕煤陕北矿业公司重点资助项目 2 0 1 8 s M H K J A J 0 3 作者简介左建平 1 9 7 8 一 ，男，江西高安人，教授，博士生导师，博士。E m a i l z j p c u m t b ．e d u ．c n 通讯作者孙运江 1 9 8 7 一 ，男，山东高密人，博士后。E m a i l s u n ．y u n j i a n g 1 6 3 ．c o m 引用格式左建平，吴根水，孙运江，等．岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 3 3 3 3 4 3 ． z u 0J i a n p i n g ，w UG e n s h u i ，S U NY u n j i a “g ，e ta 1 ．I n v e s I i g a t i o no nl h ej n n e ra | l do u I e r 卸a l o g o u sh y p e r b o l am o d e l A H M o fs I m t am o v e m e n t [ J ] ．J o u m a Io fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 3 3 3 3 4 3 ． 移动阅读 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 m e n tm e t h o d so ft h et r a p e z o i d “i n v e n e df u n n e l “ c a v i n ga r c ha n d6 s s u r ea r c ha r ee s t a b l i s h e d ．B a s e do nt h ea n a l o g o u s h y p e r b o l am o d e l A H M o fs t r a t am o v e m e n tb o u n d a r yp m p o s e db yt h ea u t h o r s ，t h eA H M i n s i d ea n do u t s i d ei sf u r t h e r p r o p o s e dt od e s c r i b et h el a w so fs t r a t am o v e m e n ta n ds u r f a c es u b s i d e n c e ．T h ei n t e m a lA H M m o d e lr e f e r st ot h eA H M o fm i n i n go v e r b u 耐e nc a v i n gf h c t u r ea r c ha n ds u d ．a c es u b s i d e n c em o v i n ga r c h ，w h i c hi ss y m m e t r i c a la b o u tt h ek e yl a y e r “u pa n dd o w n ”．T h ee x t e m a lA H M r e f e r st ot h e “q u a s ih y p e r b o l i c “ m o d e lo fr o c km o V e m e n tb o u n d a r y ，w h i c hi s a p p r o x i m a t e l y “l e f ta n dr i g h t ”s y m m e t r i c a la b o u tt h ec o o r d i n a t ea 【i sw o r k i n gs u d ’a c en e a rt h eV e r t i c a ll i n e ．T h ei n n e r A H Me x i s t si n s i d et l I eo v e d y i n gI ．o c k ，w h i c hc a nb ea p p r o x i m a t e l yd e t e c t e db yg e o p h y s i c a ld e t e c t i o nm e t h o d s ．T h eo u t - e rA H Mi sr e n e c t e di nt h es u 以c es u b s i d e n c e ，r o c kc o l l a p s ea n do t h e re x t e m a lf o 咖s ．T h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ， c a s es t u d ya n dd i s c r e t ee l e m e n tU D E Cm e t h o d ，t h eu n i f i e da n a l o 只o u sh y p e r b o l am o d e lo fs t r a t am o v e m e n ta n ds u r f a c e s u b s i d e n c ei sV e r i 6 e d ，a n dt h ef o 珊a t i o nc o n d i t i o n s ，i I l f l u e n c i n gf a c t o r sa n do V e m Um i g r a t i o nm l e so fA H Mo fc o n j u g a t ei n t e m a la n de x t e m a la r ea n a l y z e d ．T h er e s u h ss h o wt l l a tt h ee n ．o rb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o nV a l u ea n dt h e a c t u a lv a l u eo ft h ea n a l o g o u sh y p e r b o l am o d e li ss m a l l ，w h i c hr e n e c t st h er a t i o n a l i t yo ft h eA H Mo ft h eo V e r a l lm o V e - m e n to ft h es t m t a ． K e yw o r d s i n s i d ea n do u t s i d ea n a l o g o u sh y p e r b o l am o d e l ；r o c km o v e m e n t ；k e yl a y e r ；f u n n e la r c h ；U D E C 长期以来，岩层移动与开采地表沉降普遍被划分 为2 个较为独立的学科。岩层移动主要关注采矿引 起的岩层破断力学行为 岩层内部瓦斯、水等运移变 化、采场和巷道空间的稳定等 。而地表沉降相关研 究则侧重在地表沉陷所带来一系列环境、设施、生活 和生态等的影响。然而岩层移动与地表沉降之间存 在联系，开采必然引起上覆岩层发生运动，其本质是 力学现象，影响和制约安全和生态环境⋯。在2 0 世 纪8 0 年代早期，钱鸣高院士首先将上覆破断岩块视 为构件单元，用结构力学方法获得了基本顶破断岩块 相互铰接“砌体梁”结构力学模型以及稳定条件B 。4J 。 到了2 0 世纪9 0 年代中期，随着对岩层控制科学研究 的不断深人，人们开始逐渐意识到开采对地表与地下 环境产生的影响。因此，钱鸣高院士及其团队进一步 提出岩层控制关键层理论。以关键层作为岩层移动 研究的主体，用力学方法解释岩体采动后的结构形 态、应力场和裂隙场的改变。由此对采场矿压、开采 沉陷、采动岩体水与瓦斯运移有了较为统一的认识和 完整的力学描述“ 。6J 。 岩层冒落与裂隙带的形态与大小为岩层移动与 地表沉降提供了条件。掌握冒落拱、裂隙拱移动规律 与形态的变化对煤层群上行开采、强含水层或承压水 下采煤、下保护层开采等等的安全开采距离评价具有 重要指导意义。近年来，已有大量国内外学者对岩层 破断规律与状态进行了一系列理论与试验研究。如 F E N G 和w A N G 【7o 认为不论是近水平煤层还是倾斜 煤层开采，上覆基岩断裂均存在破断角度，岩层裂隙 带发育范围近似可认为“梯形”大结构；F O R s T E R 和 E N E V E R 【8 。9 1 以澳大利亚的大煤层超临界长壁面板为 基础，建立了一个实用的水文地质模型，该模型描述 了岩层垮落带与裂隙带也为一个“梯形”大结构，并 且更近似于“倒漏斗式”拱形。郭文兵等叫认为开采 强度与覆岩运移程度有关，揭示了高强度开采条件下 覆岩“两带”破坏模式与形成机制；许家林等‘。1 刊基 于关键层理论，提出了一套更为合适和准确的岩层 “三带”高度计算方法。 地表沉陷状态与影响范围是采取土地复垦、地下 管线布置以及村庄农田保护的依据。目前预测地表 沉降与岩层移动的普遍方法是经验法与数学方法相 结合，其本质属于一种数学方法，即通过从几何、数学 的方法，描述采矿现象4 。15 | 。早期我国煤炭主要开 采区域煤层埋深浅、地质构造简单，许多矿区可以通 过传统“倒漏斗式”沉降曲线进行地表沉降影响预 测。随着开采深度增大，地质结构变得复杂，若覆岩 中存在较厚的松散层，传统地表沉降预计方法的精确 性将由此受到影响【1 6 。‘8J 。厚松散层开采条件下岩层 运动不仅是岩层破断后的块体运动，也是位于岩层至 地表之间松散层的散体的组合运动。基于此，笔 者【l 纠率先将地表沉陷与基岩破断建立起联系，揭示 了岩层移动与地表沉降的力学本质。以关键层理论 为基础，通过具有明确物理意义的岩层移动“类双曲 线”模型将地表沉降与岩层移动边界统一为整体。 为了使岩层移动边界“类双曲线模型”适应更多复杂 地质条件，而后还发展了更为精细化的“类双曲线” 识别模型【2 0 。2 3J 。此外，以岩层移动边界“类双曲线” 模型为基础，在再生顶板岩体巷道围岩支护体系中也 进行了应用，建立了再生顶板“抛物线一半双曲线” 扩展力学模型Ⅲ1 。 伴随着“绿色采矿”与“科学开采”精神内涵不 断丰富，促使需要寻求一个更加关键合理的评价体系 万方数据 第2 期 左建平等岩层移动内外“类舣曲线”整体模型研究 和力学模型解释岩层移动与地表沉降之问复杂的力 学关系一’”。。因此，笔者以岩层移动破断边界“类双 曲线”模型为基础㈣，将厚松散层“漏斗式”沉降拱 与岩层移动“倒漏斗式”冒落拱进行联系，通过内“类 双f H l 线”模型描述。建立了厚松散层近水平煤层开 采整体岩层移动‘j 地表沉降内、外“类双曲线”整体 模型以及共轭条件。运用U D E C 数值计算方法狭得 了厚松散层役岩共轭内外“类双I l l I 线”模型破断运移 规律，一定程度上验证r 理沦分析，为更准确预计厚 松散层覆岩移动提供指导。 1 覆岩“拱式”冒落与裂隙带破断机理 1 ．1 基岩破断“倒口拱形”块体结构假设 煤层开采岩层达到极限跨距时会发生初次破断 和周期破坏，岩层破断规律喜0 有周期一眭。，当l 叫采I 作 面沿倾斜方向的长度远大于沿走向方向的跨距时，岩 层的破断可以认为是拉剪破坏的耦合。1 7 。引。其中， 岩梁初次断裂固支梁结构任意点的臆力分量的表 达式圳为 一≯∽。 警 菩 盯、． 一≥ - 0 - 一等 二 丁。． 一≯降 式中，q 为上役岩层的载荷；向为岩梁的高度；f 为掣梁 的跨度。 岩梁周期破断悬臂梁结构任意一，t 工的应力分艟 的表达式为 警J p 警 菩 号 一≯ 等 等滢一、2 如图l 所示，通过M a t l a I 软件编程呵直观体现 基岩初次断裂与周期断裂最大剪腑力云图。假定吖 3M l ’a ，岩层厚度厶 2 0r n ，高跨比为l 。呵以观察到， 岩梁初次破断时两边固定端附近受剪切应力作用，形 成斜拉破断，破断岩梁近似为梯形结构。类似地，周 期破断岩体在同定端卜边缘为剪应力集中区，破断后 形成倾斜式贯穿裂缝，破断结构形态同样也为梯形结 构。 文献[ 1 9 ，2 9 ] 认为笨岩的破断移动区早台阶式 倒漏王卜形，原因包括2 方面①基崧各岩层问为二作线 7 ．5 5 ．O 25 E 型0 1 一 25 5O 7 ．55 ．O25O2 ．55O7 ．5 跨度／m a 攮岩初次断裂 75 6 O 要4 5 罹 凹3O 抛 I ．5 0 75 6 ．O4 ．5 3 ．0 1 ．5O 跨度／m b 基岩周期断裂 2 5 2 - O 村 1 5 皇 ＼ R 1O 留 密 0 ．5 O 4 0 3 5 3 0 2 5 量 2 0 妄 ，s 器 l O 5 O 阔1基岩煳f 裂主应力迹线分们j I 谤l I m 川m t i 1 1 ff 1 1 d i l l 小P H st l ’∽e “№ 1 M ‘kf l a 。【u l ’e 性、非连续破断，出现倒漏i 卜形台阶；②各岩层断裂 迹线呈倒漏斗形梯形块体结构。在宏观尺度上若忽 略岩层破断迹线，叮将整体组合岩梁断裂轨迹的梯形 结构近似为开口向下的“倒口拱形”。如罔2 所示， 一般来说，主关键层以下岩层的破断和移动范围由深 至浅将逐渐减小，即各岩层组合从下至上破断的梯形 破断块体分布密度由浅至深将不断减小。冈此，若将 主关键层以下组合岩层视为统一岩体 组合岩梁『2 远大于2 f ，则关键层以下的整体岩层大结构破断形 态也为梯形结构。“拱形”假设将岩层宏观破坏与不 规则裂隙分确i 规律统一，简化了复杂的二作线性问题。 两拱的大小与状态的变化规律对煤层群上行开采、强 含水层或承压水下采煤、下保护层开采等的安全开采 距离评价具有重要指导意义。 1 ．2 冒落拱与裂隙带临界力学关系 采窄区上覆岩层的拱形冒落破坏，其实质为冒落 与稳定裂隙Ⅸ岩体问的极限剪切破坏。图3 为不同 配比相似岩梁材料实际断裂形态与过程，岩层两端的 破断线‘j 水平线具有夹角，破断形态呈梯形的块体结 构”，试验结果很好地验证了理论分析。 假定岩层垮落带与裂隙带为2 个大型的统一冒 落块体”’“’。基于块体理论，对于整体顶板剪切冒 落，以整体组合大结构冒落块体为研究对象，将大结 ／L 、I--I-， 3 5 2 ／L 、lI__-， 3 5 万方数据 煤炭学报 2 2 1 年第4 6 卷 构胃落块体视为梯形块体分析，如图4 所示。， 罔2 旗7 倒潲l - ‘．拱形”断裂梯形结构 F 唔2 ‰s 。e l P sl r a p e 删 1 ㈣’I L l l r f b 刊l 。ki v e m f f L l n l l e l “a l ’ 1 1 1 f j t L l l t 图3小M 阢比牛似岩梁材料实际断裂形态t j 过程” F 嘻3 、 IL 】d lf r d ‘⋯P1 1 1 ‘州h l 啊 1 fs i f l 札⋯’㈣k №l l l l ㈨I I 一小、、_ 汕洲h ㈨I ”“ 州 ⋯1 9 俐4 梯形块体人结构力学模，钯 F 瞎4 Ⅶ- ’‰1 i - a lI ㈨ 1 P 1 I I Ⅲ’∥小L l n “ s ‘M P h m I l l e z ‘ i 1 1 l ‘k 考虑岩层块体的f L l 重，根据对称性取块体的一半 简化分析。根据图4f l r 以得出梯形块体结构剪切面 _ I 二的剪应力乎衡满足式 3 丁舱 点卜q ，- 羔小f d 一州⋯一舡， 3 式中，d 为剪切而与水平力‘向的夹角；G 为块体结构 的重力；盯、为水平方向厶迈力，其值等于顶板轴向应力 与厚度的比值i 厂’为剪切面滑动的摩擦因数。 其中，剪切面上的法向J 、证力以为 吒 麦[ G q 卜羔小t ⋯s d 帆幽，d 4 梯形块体自霞应力为 G 卜熹h 5 式中，y ．为顶板岩层的容最。 假定岩层剪切破断满足摩尔一库伦强度准则 7 - f C 盯，。t a n 妒 6 式中，丁．为剪切_ 『i ；I i 抗剪强度；C ，妒分别为岩层黏聚力 和内摩擦角。。 定义r 为剪切破坏安全系数，以反映整体组合顶 板发生剪切破坏的可能性，其值等于剪切面抗剪强度 丁。与剪应力丁．的比值 r 旦或r 旦i 7 l 丁⋯【丁} { 2 ≥￡中，组合岩体大结构梯形冒落拱的剪应力为丁舱；梯 形小结构的剪应力为7 _ Ⅲ。当r l 时 丁． 『7 ，时， 顶板剪切冒落破坏，冒落形状为拱形。若其中某一岩 层剪应力丁舱满足丁。 3n 时 沉降预测值较准确，实测 岩层移动范围与地表沉降最大值与理论模型预测值 误差控制在1 0 ％以内。理论模型与实际值的误差较 小，可见在厚松散层水平煤层开采条件下，岩层整体 移动存在“类双曲线”特征，岩层整体移动内外“类双 曲线”模型．‘J 实际结果罐本吻合。 表l统一岩层移动“类双曲线”模型实测与验证 T a b l elM e a s u r e m e n ta n dV e r i f i c a t i O n fa n a l o g o u sh y p e r b O l am o d e I 需要指出的是，充分采动煤层地表下沉与岩层沉 降达到极限值。在此后，地表沉降盆地垂直沉降减 小，水平影响范围增大。通过内外“类双曲线”整体 模型离心率 开口率 可描述动态地表沉降与开采岩 层移动。 4 岩层移动与地表沉降离散元模拟 4 ．1 模型建立 离散元程序u D E c 在非连续介质 如节理岩体 静载荷或动载荷作用下的响应具有一定优越性，适合 模拟块状系统 如研究开采岩层移动规律等 的大运 动和大变形。如图9 所示，通过使用U I E C 中 V o r o l l o i 细分生成器 V o l m o iT e s s e l l a t i J 1 1G e l ㈣a f 【 l - ， 岩石块体町以表示为在其接触面f 结合在一起的随 机溶聚的刚性体或可变形多边形予块的堆积。 u D E c D M 随机大小的胶结多边形与结晶岩和沉积 岩的颗粒界面或颗粒胶结特性相连，从而与自然发生 的破坏过程非常相似，因此这在模拟地下采矿地表松 散层中有较大的优势Ⅻ邙9 。 本节以山西省安太堡煤矿地质条件为基础，通过 u D E c7 ．o 建立数值计算模型。如图1 0 所示，模型尺、j 1 为5 0 0n ，1 5 7m ，根据安太堡煤矿的覆岩地质条件自F 而上一共划分了1 2 组岩层∽2 。4 0 。其中，9 号与5 号砂岩 分别为亚关键层与主关键层。松散层通过u D E c V o m n o j 生成并赋予模型参数 表2 。，数值模型两边和 底部边界条件通过位移固定，侧压系数为1 ．1 。 ●。。。。。。。。。。。。。。’1 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。●。。。。。。。。。●。_ ●_ _ ●。_ _ _ _ 。_ 。。。。。。。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 国I} ￡U Ⅱ应力 ％ 彳} - 立伸心力一 键断裂’．●_ ■ ／l- 压缩 么卜 1 延伸 f 莆蓉 图9u I I i c V m - o ．m i 组件的微观特性和本构接触行为”。9 F 噜9 L J l } CV Ⅲ- o I 捌d s s e l l l l l y1 1 1 i t ．r o p H ’l l e r t 溉Ⅲl m 劬u t i v e ． n I a ．1b P l l a 妇，L I r 删一Ⅵ 安太堡煤矿目前主要采，f { { I 综合机械化放顶煤方 法开采4 号煤层，4 号煤层厚度6 ．5m ，平均埋藏深度 约为1 0 0m 。放顶煤厚度3 ．5m ，长壁开采宽度 2 0 0 ，。4 号煤层及其I 覆岩层地质条件简单，无断 层和水文影响，地层近似水平分布。煤层上覆直接顶 为页岩，基本顶为砂岩。卜覆岩层顶部有较厚的松散 层。 4 ．2 计算结果与讨论 图1 1 为不同推进距离岩层移动与地表沉降规律 情况。岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”整体模 型随着开采推进具有阶段化发展，具体为①煤层推 进至4 0m 时，亚关键层未发生破断仅有小范围下 - 下 万方数据 3 4 0 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 ■v o r ⋯黜形差．≯棚i 熙姗。。， ＼7＼／K e v r o o f 、1 K e 、r o o f 、2 M u d s l o n e M u d s I o l l e2 S a n d s “1 1 1 e 坤爿- 苫- 苫- 坤苫冲坤坤爿，坤坤 S a n d s l o n e2 f 【ll ●ll 『I S a n d s t o n e4 5 0 0 1 1 1 S a l l d s I Ⅲe5 S o l i d ㈥l 。奠人儇煤矿【1 I i ．数值摸J 删 g ．1 【J ㈨l ⋯⋯№| l ⋯川川＼la i l l i I I lt ‘t 川1 1 1 i 1 1 r 表2 块体之间接触力学参数㈦ “” T a b l e2C o n t a c tm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sb e t w e e nb l o c k s [ 二 ㈨] 序l j一；』z ，，．／川p ／ k g ⋯1 ∥／ J ’i l，，r ／、1 l ’．’ f ／ f ，，7 、1 | ’a廿／ 注，，，为7 堪”度；p 为衔度；∥为掸。r I 模景；，，为} | ，i 松比f 为黏聚力；妒为内摩擦角；”．为抗十口强；度；砂为9 ，胀升 沉，此时直接顶仅发生小范刚离层，地表几乎不沉 降。②煤层推进至8 0m 时，“接顶初次冒落，直接 顶倒漏斗式梯形拱形成，i E 关键层未发f 卜破断。基 本顶‘j 关键岩层仅发生小范吲下沉，地表沉降范围 影响较小；⑧煤层推进至1 6 0I n ，关键层破断，岩层 裂隙带发育至中关键层，采空区冒落拱范刚变大。 采空区上梭岩层整体下沉卣接影响至地表发牛“漏 斗- 式”下沉拱。岩层整体移动‘j 地表沉降内外“类 双曲线”轮廓初步形成；④当煤层推进至2 4 0r n 时， 采空区冒落拱被整体岩层下沉接顶，采夺区进一步 压实，地表下沉拱范阁不断增大，最大下沉f 矗趋于 稳定；岩层整体移动与地表沉降内外“类双曲线”轮 廓相应扩展。女图1 l e 所示，“类双曲线”理论预 测值‘_ ．j 模拟最大下沉结果误差较小，能够较好地反 映岩层移动与地表沉降憋体变形规律。需要指出 的是，地表沉降内“类双曲线”模型在地表沉降移动 边界的描述有一定限制。需要结合岩层移动破断 边界外“类双f H I 线”模型共同描述。 5 结论 1 以岩层移动破断边界外“类双曲线”模型为 基础，建赢厂岩层移动与地表沉降内外“类双曲线” 经体模型。与传统“漏斗式”岩层移动边界} l “线不 同，该模型能更加精确地描述f 覆岩层与地表沉降的 整体移动规律，弥补传统岩层移动曲线预测精度的／f i 足 其中外“类双曲线”模型指的是岩层移动破断边 界“类双f H l 线”模型，在工作I n f 的中垂线近似“左彳i ” 对称；内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落、裂隙拱‘亏 地表漏斗式沉降移动拱“类舣曲线”模型，在关键层 近似“上’卜”刘1 称，其与岩层的物理力学性质有关。 2 分析J ，共轭内外“类双曲线”模型形成的共 轭条件、影响因素’j 整体运移规律。岩层移动1 j 地表 沉降内外“类双曲线”岩层移动模型的形成过程具有 不同的阶段特。陀，受推进距离、推进速度、采- j 、松散 0 O 7 7 0 3 7 0 7 0 0 0 7 6 ， 4 5 ● ，一 3 5 9 2 7 8 6 3 5 5 7 2 0 3 0 0 ● 9 ，- 7 9 4 6 2 ，一 5 层，● 2 3 2 4 5 6 微剃麟蝴蝴蝴鳓麟蝴则州咧 万方数据 第2 期左建平等岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究 3 4 1 65 65 6 ．O 5 ．5 5 ．O 45 4 O 3 5 3 ．O 25 2 O 1 ．5 10 0 ．5 O 直接顶垮落 气通鸭l d 推进2 4 0 m 推进距离／m e “类烈曲线”模掣与模拟结果对比 6 ．5 8 6 6 ．5 6 0 5 ．5 5 ．O 4 ．5 4 0 35 3 ．0 25 2 0 1 ．5 1 ．O O ．5 O O ．3 5 O F i g ．1l F r m a t i o no fa n a l o g J u sh y p e r b o l an l o d e li n s i J ea n f lo u t s i d eo fs l r a t al T l o v e m e n ta n 1s u 一0 c es L l } s i 1 e n c P 层与基岩厚度比等影响，其中采高与推进距离对模型 Q l A N №g g a c ，，M lA x i r x 吣，H 卜h I l i a n ．A m - 1 。s j so f 岫} l { c l k 。 预测精度影响较大。 ⋯1 1 1 吲⋯1 ⋯0 1 ⋯⋯8 8 ⋯b e a ⋯1 ”“⋯g w “h “⋯g lJ jJ 0 u ⋯1 0 1 。一曼孕芒、黧氅掣景竺鍪量驾銮登景乏量王 ㈧嚣慧荔淡‘粢 揣茹态．涮蹦⋯．岩 作面的走向或倾向现场监测数据，以及理论分析和数 ～箸冀墨fJ ≤荽袤j i 嘉 。占；j ；。f 。．⋯～⋯“⋯。“ 值模拟结果表明，建立的岩层移动与地表沉降内外 Q I A NM i 哗聊。M I A x i ，、i 噼T h e 0 州i 。。l 。。l 、。i 。1 1 l I ⋯l 。山，。l “类双曲线”整体模型理论预测值与实际值误差较 f o 。。．dm b i 】j I v 。f } v 。，‰gs a t ai ．。l 。1 1 9 。。1 1 。i n i n g [ J ] ．c } l i l l 。 小，表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。 J o u r n a lt ，rR ∽kM e t l m i c ⋯n c ⋯l g i l l ⋯i n g ，1 9 9 5 ，1 4 2 9 7 一1 0 6 ． 参考文献 R e f e r e n c e s 炭学报，1 9 9 6 ，2 l 3 2 2 5 2 3 【 ． [ I ]钱呜高，许家林．煤炭，l 采与岩层运动[ J ] 煤炭学报，2 0 1 9 ， Q I A NM 吣9 8 。，M I A ‘’x i P x i “g ，x LJ i 8 l i “’r h 。⋯9 ‘i “l l8 1 “‘l y 。rk 。y 4 4 4 5 一1 6 删⋯1 吣⋯⋯l 。。“叫J ] J 0 u ⋯l 。fc h i “8 ‘’8 l 蜘d y ，1 9 9 6 ， Q I A NM i n g g a J ，x uJ i a l l l l ．I j e h a v i 。r s fs 【I a r a m 。v e m e n 【i n 2 l 3 2 2 5 2 3 0 ． a l f 。i n ir l g [ J ] ．J 。u l 。a l 。，f c h i l l ac 。a ls 。。．i 。t v ，2 0 1 9 ，4 4 4 5 一1 6 ． [ 6 ]许家林岩层控制与煤炭科学开采记钱呜高院士的学术思 [ 2 ] 钱鸣高，朱德仁，王作棠老顶崭层断裂删式及对] 作面来压的 想和科研成就[ J ] 采矿‘j 安全工程学报，2 0 1 9 ，3 6 1 I _ 6 影响[ J ] ．中国矿业学院学报，1 9 8 6 2 9 1 8 ． x uJ ㈧i ns t m I a 1 0 n l l ’0 1a 1 1 1s c i P n t 孤_ c o a