急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 7 年5 月 北京科技大学学报 J o u m a l0 fU n i v 吣n yo fs c i e n ∞a n dT e c h n o l o 贸B e i j i I I g V 0 1 ．2 9N o ．5 M a y2 0 0 7 急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析 邵小平1 ’石平五1 ’贺桂成2 ’ 1 西安科技大学能源科学与工程学院，西安7 1 0 0 5 42 南华大学建筑工程与资源环境学院。衡阳4 2 1 0 0 1 摘要运用弹性薄板理论对急斜煤层水平分段放顶煤开采基本顶岩层进行拉应力分析，得出了顶板破断的判别准则．依据 判别准则实例验证了分段开采后暴露岩板所受荷载只是整个上覆岩层中的一部分，指出上覆层中存在卸载拱结构，正是结构 体的存在承担了大部分上覆岩层荷载。直接影响了开采过程的矿压显现．通过对卸载拱影响因素的研究，指出卸载拱是顶板 岩层中的一种动态扩展结构。当原有的拱式平衡被打破，拱结构朝顶板侧上移，并达到一种新的平衡态，因此其范围是不断扩 展的一个“平衡一失稳一再平衡一再失稳”的动态扩展过程。也是造成工作面矿压显现的原因． 关键词水平分段放顶煤；弹性薄板；卸载；拱结构；方差分析 分类号T D 3 l 急斜煤层水平分段放顶煤开采，分段高度一般 在1 0 ～2 0 m 左右．由于一次性放煤高度较大 一般 采2 ．5m ，放7 ．5 ～1 7 ．5m ，随着工作面的推进及顶 煤的冒落，顶板的应力场处于不断的变化之中．开 采后，直接顶强度较低，受采动影响后较易冒落，并 堆积在采空区底部靠顶板侧．基本顶 老顶 破坏过 程中，顶板岩层中存在一定的结构体，正是结构体的 存在影响了围岩的后续破坏及矿压显现的特 点[ 1 。2 ] ．因此，对于急斜煤层开采后基本顶结构的 研究显得非常必要． 1 基本顶破断力学模型 急斜水平分段放顶煤开采，受工作面布置形式 影响，基本顶沿倾斜的悬露顶板长度通常比较短． 同时，由于煤层倾角较大，基本顶及其上覆岩体重力 6 口 ■ 口 O 6 B 沿层面法线方向分力较小，使基本顶沿走向破断的 极限跨度较大．工作面沿走向水平推进中，暴露顶 板呈一狭长矩形．将矩形板看作弹性薄板[ 3 - 5 】。板 四边固定约束，边长2 口2 6 ，其中2 口为工作面沿 走向推进中暴露岩板走向长度，2 6 为暴露岩板平行 于岩层层理方向倾斜长度．岩板受法向载荷口】 q c o s 口及切向载荷q 2 q s i n 口共同作用 图1 ． 对于薄板上表面 朝顶板侧 ，在9 1 ，9 2 共同作 用下，设口／6 惫，位于z 0 ，y 一6 ，2 一￡／2 处 产生最大拉应力，其值为 2 1 愚4 6 2 q c o s 口 吼2 珂丽 8 ￡2 l1 五4 号是2 l 5 女2 幻s i n 口 2 女2 一摩2 4 z [ 2 n 1 叫 1 彬 以1 叫2 一南川1 叫2 ] 1 日刊斟y 匕 ⋯ ’ a 沿板长方向 ”沿板厚方向 图l 老顶破断力学模型 F i g ．1 M ∞h a n i ∞Im 硼e IO f 瑚fd 蝤t r 眦“o n 薄板上表面位于z 0 ，y 6 ，z 一￡／2 处产 生的拉应力为 收稿日期2 0 0 6 - 0 1 吧8 修回日期2 0 0 6 - 0 6 - 0 1 基金项目国家自然科学基金资助项目 N o ．5 0 2 7 4 0 5 8 ；2 0 0 5 年高 等学校博士点专项基金资助项目 №．2 0 0 4 0 7 0 4 0 0 2 作者简介邵小平 1 9 7 3 一 ，男，博士研究生；石平五 1 9 4 1 一 。男， 教授，博士生导师 2 1 正4 6 2 9 ∞s 口 眈2 可鬲弓可一 8 f 2 { 1 是4 鲁忌2 5 女2 幻s i n 口 2 女2 一肚2 4 z [ 2 冉 1 刊 1 ∥ 以1 叫2 一南俄1 州2 ] 2 万方数据 北京科技大学学报第2 9 卷 对于薄板下表面 朝采空区侧 ，在q l ，q 2 共同 作用下，位于z 0 ，y 0 ，z ￡／2 处产生最大拉应 力为 旷逝竿巡喇 3 盯12 ■■_L ， 1 6 ￡2 ll 愚4 鲁愚2 } 、 ， ， 式中，弘为泊松比，口为煤层倾角． 由于岩石的强度特征为仃拉 4 5 。时， 满足盯1 盯3 盯2 ，因此岩板的破坏顺序依次为首 先在薄板上支承端上表面中点处产生拉裂裂隙，裂 隙沿边界向角部发展；随后在薄板下表面中部产生 拉裂，裂隙沿工作面方向发展；最后薄板下支承端上 表面中点处产生拉裂，裂隙沿边界向角部发展． 据此以仃1 盯。 岩板极限抗拉强度 作为岩板 受拉破坏前的极限状态，其表达式为 A N M B 厦 b 。 4 i ￡中，A 2 1 愚4 6 2 q c o s a ，B 5 志2 6 q s i n 口 2 愚2 一 肚2 ，M 8 ￡2 1 尼4 号志2J ，N 4 f2 愚2 1 一 户 1 愚4 寺忌2 卜产 2 一南愚2 1 户 2 j ． 当A N M B M b 。时，表示岩板已破坏；当 A N M B 肭。．在如此大的垂直应力作用下， 基本顶岩层破断后不可能保持稳定状态，岩层垮落 后将造成工作面上端头支架较明显的来压显现．分 析B 4 5 6 煤层矿压观测资料[ 7 】 图2 表明，工作面 初期推进中并无明显来压，只是当工作面推进到4 0 ～6 2 m 范围内有三次较明显的来压显现，说明此范 围内有大面积顶板破断并冒落，很显然这与将岩板 所受均布荷载按垂直应力y H 计算是完全不相符 的．说明分段开采后暴露岩板所受荷载只是整个上 覆岩层中的一部分。因此上覆层中必然存在着一定 的结构体，正是结构体的存在承担了大部分上覆岩 层荷载，并直接影响了后续的矿压显现． 图2 上端头支架阻力曲线图 F i g ．2 R 髂j s t a n 蚀伽r “ o ft o pb 髓c k e t 2 ．2 模拟研究 对乌鲁木齐矿业集团下属苇湖梁煤矿B 1 2 煤 层开采进行模拟实验研究．煤层平均倾角为6 5 。，水 平厚度3 6m ．矿井开采共划分四个开采水平第一 水平 6 7 0 ～ 7 3 0 为报废水平；第三水平 4 3 0 ～ 5 5 0 及第四水平 3 0 0 ～ 4 3 0 为深部 水平；目前正开采第二水平 5 5 0 ～ 6 7 0 ．通过 R F P A 数值模拟 图3 和相似模拟 图4 可知，分段 放顶煤开采后，基本顶岩层朝采空区侧弯曲下沉，其 各点的位移变化值是不同的，导致顶板岩层发生离 层现象．基本顶呈现拱形下沉特点，在下沉拱范围 内，个别岩层之间将失去力的联系，从而形成卸载 拱[ 8 J ．正因为拱结构的存在，拱所承担的上覆层荷 载由上下拱脚处承担，这必将引起上下拱脚处支承 万方数据 第5 期邵小平等急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析 压力的升高．拱内岩层在应力释放过程中向采空区 卸载变形，暴露岩板承受的上覆层荷载是由作用在 其上方的拱内岩层传递的，因此分段开采后形成拱 脚横跨采空区上下端的“不等高卸载拱”，上拱脚向 采空区上方煤柱浅部偏移． 图3 4 9 0 ～ 5 l o 水平开采完毕后基本顶拱形破坏 F i g ．3 I e s t n c t I 仰o fb 酗i c 邝o fa f t 盯砌n i 哩l e v e l I n 4 9 0 ～ 5 l O 图4 基本顶拱形下沉破坏 F i g ．4F o m i c a t es n b s I d e n ∞d 鹪t n c t i 佃o fb 嬲l c 啪f 3 基本顶结构研究 3 ．1 结构力学模型的建立 由现场分析与实验研究，建立卸载拱力学模型 如图5 所示．为研究方便，只对上半拱处于极限平 衡状态时的情况进行分析． 图5 拱结构力学模型 F 量g ．5 M e c h a n i ∞lm o d e Io fa M hs t 阳c t u 他 设拱高为 ，跨长为Z ，煤层倾角为口．上半拱 受荷载q 作用，其沿岩层法向的荷载为q 1 q c o S 口， 沿岩层层理方向的荷载为9 2 q s i n 口．上支撑端受 摩擦力F A 及支撑反力N A 作用，在原点。处受下 半个拱的反力T 作用．设拱轴线为理想拱轴线，即 拱轴线任一横剖面上的弯矩M 。 0 ． 据平衡方程∑y 0 ，得拱上支撑端极限状态 下的摩擦力及支撑反力分别如下 N A 半 丝警 5 F A 鲫警 6 二 拱高与跨长的关系为 出 乒型 7 Z t a n 口 式中，．厂为摩擦因数． 由拱轴线任一横剖面上的弯矩心 0 ，拱方程 为 z 2 y 2 t a n 口一 2 t a n 口一驴 y 0 8 由式 8 可知理想拱轴线的方程为椭圆曲线的 一部分． 对式 5 ～ 8 进行分析，可知顶板岩层中“卸载 拱”结构具有以下基本特征 1 卸载拱上方承受荷载由上下拱脚处承担． 上支撑端处支撑反力M 与荷载q 成正比，随着分 段开采向下延伸，拱脚处支撑反力增大，即支承压力 增加；与口成反比，即随着倾角的增大，拱脚处支撑 反力减小，支承压力降低． 2 随着拱脚处支承压力的增加，上拱脚处煤 岩在超出其承载能力 抗压强度 后破碎成块状并冒 落，卸载拱上支承端将不断向上方强度较高处煤体 移动，会造成跨长z 增加，卸载拱稳定性降低． 3 卸载拱在顶板岩层中处于一个动态扩展的 过程，因此工作面开采后暴露岩板所受上覆荷载口 值也是动态递增的．采深对卸载拱结构的影响表现 在当开采深度位于浅部时，拱在顶板岩层中的扩展 速率较慢，上覆荷载口值的动态递增率低．随着采 深的增加，拱的扩展速率将呈现加快趋势，g 值的动 态递增率高，顶板岩层稳定性降低． 4 影响卸载拱结构拱高的基本参数为z ，厂及 口．矗与z 成正比，因此分段开采时段高取得越高，z 越大，拱高 越大，工作面开采后暴露岩板所受上 覆荷载g 值越大，顶板岩层的稳定性将降低； 与厂 成正比，因此端角处摩擦因数越大，成拱高度将增 加； 与倾角口成反比，随着倾角的增大，成拱高度 万方数据 北京科技大学学报第2 9 卷 将减小，暴露岩板所受上覆荷载q 值减小，顶板岩 层的整体稳定性提高． 3 ．2 卸载拱拱跨比研究 设拱高 与跨长Z 之比为忌，由式 7 可推得 忌手辱 ㈣ 为研究口及，对志值的影响关系，按不同的口 及，的取值列出对应的正值，如表1 示．通过表1 绘 出当端角摩擦因数，取不同的特定值时愚值随口的 变化规律如图6 所示．当倾角口取不同的特定值 时，愚值随，的变化规律如图7 示． 表l 口及，对t 值的影响关系 T 铀I elE f f e c to f 口a n d ，帅七 圈6 ，取不同的特定值时七与口变化关系 F i g ．6R e I a t I o n s h I pb e t w e 姐七a n d 口a td i f f 电r 蜘t ， 囝7 口取不同特定值时七与，变化关系 F i g ．7R e I a t i o 雎h l pb “w 嘲七删，a tm f f e 呻n t 口 为进一步研究忌值的变化规律，利用最小二乘 估计算法[ 9 | ，对表1 中的7 0 组不同数据进行多元线 性回归分析，得忌值随及厂变化的相关关系为 足 1 ．2 7 6 5 0 ．0 1 4 6 口 0 ．2 9 6 7 ， 1 0 由图6 和图7 及式 1 0 可知志值变化的一些基 本特征 1 与 和倾角口成反比相一致，愚值随a 值 的增大呈递减趋势．当给定的．厂值越大，曲线越陡， 斜率越大，即给定的．厂值越大，是值随口值的变化率 越大；反之曲线越平缓，愚值随口值的变化率越小． 2 与 和厂成正比相一致，壳值随厂值的增 大呈递增趋势．由图7 知志值随厂值的变化曲线基 本上为线性增长关系，且给定的口值越大，直线与 纵坐标的截距越小，直线的斜率也越小，忌值随，值 的变化率越小，厂对志的影响越低． 为验证因变量五与自变量口及厂之间是否真正 存在相关关系，必须对回归方程进行显著性检验． 表1 整个数据的方差分析如表2 所示． 表2 回归方程方差分析表 T a b l e2V a r I a n ∞柚a I y s i so “h er ∞u i v ee q ∞t i o n 由上表知F 25 2 1 ．8 ，查F 分布表得 F 2 ．6 0 0 ．0 0 1 7 ．7 6 ． 由 F F 2 。6 0 0 ．0 0 1 ， F 2 ．6 0 O ．0 0 1 F 2 。6 7 0 ．0 0 1 推得F F 2 ，6 7 0 ．0 0 1 ， 因此回归自变量口及厂作为一个整体对愚值有显著 性影响，回归方程在检验系数O ．0 0 1 的水平上显著 回归． 4 结论 1 卸载拱是顶板岩层中的一种动态扩展拱结 万方数据 第5 期邵小平等急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析 4 5 l 构．当上支撑端煤岩超出其承载的强度极限时，支 承压力集中区煤岩破碎垮落，原有的拱式平衡被打 破，拱结构上支撑端上移，拱高也随之增加，并达到 一种新的平衡态，卸载拱结构的范围也随之增大，因 此是一个不断扩展的“平衡一失稳一再平衡一再失 稳”的动态扩展过程，也是形成工作面来压显现的原 因． 2 开采浅部急斜煤层时，随着卸载拱向顶板 侧的不断扩展，有可能造成地表突然大面积沉陷，形 成深槽形塌陷坑，并造成工作面的突然来压． 参考文献 [ 1 ] 陈炎光，钱鸣高．中国煤矿采场围岩控制．徐州中国矿业大 学出版社。1 9 9 4 【2 ] 石平五．急倾斜大段高综采放顶煤矿压显现及围岩控制．矿 山压力与顶板管理，1 9 9 2 4 4 3 [ 3 】石平五。高召宁．急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律． 煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 1 1 3 [ 4 ]高召宁，石平五．急斜煤层开采老顶破断力学模型分析．矿山 压力与顶板管理，2 0 0 3 ，2 1 1 8 1 [ 5 ] 徐芝纶．弹性力学．北京高等教育出版社，1 9 9 0 [ 6 ] 石平五，漆涛，张嘉凡，等．较薄急斜近距厚煤层水平分段放 顶煤科学性分析．煤炭学报。2 0 0 4 ，2 9 4 3 8 5 [ 7 】漆涛，石平五，王栓存，等．急斜近距煤层联合开采矿压显现 规律．矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 3 6 2 [ 8 ] 李栖凤．急倾斜煤层开采．北京煤炭工业出版社，1 9 8 4 [ 9 ] 王松桂。程维虎．高旅端．概率论与数理统计．北京科学出 版社。2 0 0 0 A n a l y s i so nu n l o a d e da r c hs t r u c t u r eo fr o o fi nm i n i n gs t e e ps e a m su s i n gh o r i z o n t a l s e c t i o nt o p c o a lc a v i n g S j 无4 0X i 口。夕i 挖9 1 ，S ⅢP i 咒g t u “1 ，H EG “i c 矗e ，z 9 2 1 C o U e g eo fR e s o u r c ea f I dE n e r g y ，X i ’跏U n i v e 巧i t yo fs c i e n c e 矾dT e c h n o l o g r ，Ⅺ’∞7 1 0 0 5 4 ，C h i n a 2 c o l l e g eo fA r c h i t e c t u r a la I l dE n v i r o n m e mE l l g i n ∞r i n g ，N a I l h I l aU I l i v e 玛i t y ，H e n g y a l l g4 2 1 0 0 1 ，C h I l a A B S T R A C TS u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r e so fs t e e ps e a m sa n dg e n t l yi n c l i n e ds e a m sa r ed i f f e r e n t ．B a s i cr o o fa n d i m m e d i a t er o o f o fh o r i z o n t a ls e c t i o nt o pc o a lc a v i n gw e r eb e s i d et h ew o r k i n gf a c ei ns t e e ps e a m s ．Aj u d g m e n tc r i t e r i o no f r 0 0 fd e s t r u c t i o nw a sa t t a i n e db ya n a l y z i n gt e n S i o nt ob a s i cr ∞f ．A c c o r d i n gt ot h ej u d g m e n tc r i t e r i o n ，i t w a Sv e “f i e dt h a to n l yo n ep a r to fo v e r l y i n gs t r a t aw a s1 0 a d e dt oe x p o s e dr o c kb o a r d ． T h e r ei su n l o a d e da r c h s t r u c t u r ei no v e r l y i n gs t r a t a ．T h eu n l o a d e da r c hs t r u c t u r eb e a r sn l o s tw e i g ho fo v e r l y i n gs t r a t aa n de f f e c t sl a t e r s t r a t ab e h a v i o ro ft h ew o r k i n gf a c e ．I t i sp o i n t e do u tt h a tt h eu n l o a d e da r c hs t r u c t u r ei sad y n a m i ce x p a n s i o n s t r u c t u r e ．I tw i Um o v et o w a r d sr o o fa so r i g i n a lb a l a n c eo fa r c hw a sb r o k e na n dk e e p san e wb a l a n c e ．T h es c o p e o fa r c hi sap r o c e s sc o m t a n t l yt oe x p a n df r o mb a l a n c et oi n s t a b i l i t y ． K E YW o R D Sh o r i z o n t a ls e c t i o nt o pc o a lc a v i n g ；e l a s t i ct h i nb o a r d ；u n l o a d ；a r c hs t r u c t u r e ；V a r i a n c ea n a l y s i s 万方数据 急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析 作者邵小平， 石平五， 贺桂成， SHAO Xiaoping， SHI Pingwu， HE Guicheng 作者单位邵小平,石平五,SHAO Xiaoping,SHI Pingwu西安科技大学能源科学与工程学院,西安 ,710054， 贺桂成,HE Guicheng南华大学建筑工程与资源环境学院,衡阳,421001 刊名 北京科技大学学报 英文刊名JOURNAL OF UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY BEIJING 年，卷期2007，295 被引用次数6次 参考文献9条参考文献9条 1.陈炎光.钱鸣高 中国煤矿采场围岩控制 1994 2.石平五 急倾斜大段高综采放顶煤矿压显现及围岩控制 199204 3.石平五.高召宁 急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律[期刊论文]-煤炭学报 200301 4.高召宁.石平五 急斜煤层开采老顶破断力学模型分析[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 200301 5.徐芝纶 弹性力学 1990 6.石平五.漆涛.张嘉凡 较薄急斜近距厚煤层水平分段放顶煤科学性分析[期刊论文]-煤炭学报 200404 7.漆涛.石平五.王栓存 急斜近距煤层联合开采矿压显现规律[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 200403 8.李栖凤 急倾斜煤层开采 1984 9.王松桂.程维虎.高旅端 概率论与数理统计 2000 相似文献3条相似文献3条 1.期刊论文 石平五.邵小平.SHI Ping-wu.SHAO Xiao-ping 基本顶破断失稳在急斜煤层放顶煤开采中的作用 -辽宁 工程技术大学学报2006,255 为研究急斜煤层水平分段放顶煤开采过程中基本顶破坏活动对工作面的影响,根据急斜煤层基本顶具有倾斜狭长板的特点,运用弹性薄板理论对基本 顶岩层进行了拉应力分析,得出了顶板破断的判别准则,建立了基本顶初次破断后形成的“铰接结构“的力学模型.通过分析结构滑落失稳和回转失稳的力学 条件,指出危险点是上铰接点.研究表明急斜放顶煤开采围岩结构虽然与缓斜煤层长壁放顶煤不同,基本顶老顶和直接顶只是在工作面的一侧,但仍然不 能忽视它对工作面矿山压力显现的影响.铰接结构的上铰接点是岩层控制的关键点,这为现场实施充填以防止基本顶失稳的动力作用,提供了理论依据. 2.期刊论文 石平五.邵小平.SHI Ping-wu.SHAO Xiao-ping 基本顶破断失稳在急斜煤层放顶煤开采中的作用 -辽宁 工程技术大学学报（自然科学版）2006,253 为研究急斜煤层水平分段放顶煤开采过程中基本顶破坏活动对工作面的影响,根据急斜煤层基本顶具有倾斜狭长板的特点,运用弹性薄板理论对基本 顶岩层进行了拉应力分析,得出了顶板破断的判别准则,建立了基本顶初次破断后形成的“铰接结构“的力学模型.通过分析结构滑落失稳和回转失稳的力学 条件,指出危险点是上铰接点.研究表明急斜放顶煤开采围岩结构虽然与缓斜煤层长壁放顶煤不同,基本顶老项和直接顶只是在工作面的一侧,但仍然不 能忽视它对工作面矿山压力显现的影响.铰接结构的上铰接点是岩层控制的关键点,这为现场实施充填以防止基本顶失稳的动力作用,提供了理论依据. 3.期刊论文 高召宁.石平五 急斜煤层开采老顶破断力学模型分析 -矿山压力与顶板管理2003,201 运用弹性力学古典狭长薄板理论,建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型,分析了其变形特征及破断规律.得出了煤层倾角、水平分段高度 对顶板变形的影响关系曲线,同时,给出了顶板破断的判据. 引证文献6条引证文献6条 1.邵小平.张红祥.石平五 急斜煤层分段放顶煤开采合理段高选择研究[期刊论文]-中国矿业大学学报 20094 2.张嘉凡.石平五.张慧梅 急斜煤层初次破断后基本顶稳定性分析[期刊论文]-煤炭学报 20099 3.来兴平.王宁波.胥海东.漆涛.曹建涛.蒋东晖 复杂环境下急倾斜特厚煤层安全开采[期刊论文]-北京科技大学学 报 20093 4.张立杰.柴鑫.来兴平.蒋东晖.邹磊.胥海东 急斜煤层EDZ围岩动态演化规律2D-BLOCK数值追踪模拟[期刊论文]-西 安科技大学学报 20084 5.张子飞.来兴平 复杂条件下急斜厚煤层高阶段综放开采超前预爆破[期刊论文]-煤炭学报 20088 6.WANG Ning-bo.LI Li-bo.LAI Xing-ping.CHAI Xin Comprehensive analysis of safe mining to heavy and steep coal seam under complex geophysics environment[期刊论文]-煤炭学报（英文版） 20083 本文链接 授权使用西安科技大学xakjdx，授权号4bb1ab5a-7646-4fc0-98fd-9e1b009df3ad 下载时间2010年10月26日