大倾角综采放顶煤开采条件下开采裂隙非稳态演化规律的研究.pdf

中国岩石力学与工程学会第七 次学术大会论文集 中国西6 } 2 0 0 2 . 9 大倾角综采放顶煤开采条件下 开采裂隙非稳态演化规律的研究‘ 伍永平柴敬 陕西省岩层控制重点实验室西安科技学院西安7 1 0 0 5 4 摘要采用模拟试验方法， 对大倾角综采放顶煤开采条件下开采裂隙非稳态演化规律进行系 统研究， 利用固体非平衡断裂 统计理论， 对试验结果进行综合分析与评价， 从而为围岩非稳态断裂控制、 支护 充填与离层注浆 关键层位与范围的选择和 支护效果的预计提供了科学依据。 关键词大倾角综采放顶煤， 裂隙非稳态演化， 非平衡断裂统计 S T UDY ON UNS T EADY E VOL UTI ON OF MI NI NG CR ACK I N F UL L Y- MEC HANI Z E D MI NI NG W I T H T OP - COAL C AVI NG OF GRE AT E R P I T C HI NG S E AM W u Y o n g p i n g C a i J i n g K e y l a b o r a ra r y of s t r a w w r “ r o l i n g o f S h a a n s i p r o v i - X U S T X i ’ o n 7 1 0 0 5 4 C h i w A b st r a c t B y m e a n s o f m o d e l e x p c r im e n t , th e p a p e r s tu d i e s s y s t e rn a d , 幽 o n u n s te a d y e v o lu t io n o f m in i n g c r a c k in fu ll y - m e c h a n ize d m in i n g w i th t o p - c o a l c a v i n g o f g r e a te r p it c h i n g s e a m a n d a n a ly s e s th e te s t r e s u l ts b y s y n th e s is m e th o d . W ith th e h e l p o f s ta t i s t ic a l th e o ry o f s o lid n o n - e v e n f r a c t u r e it p ro v i d e s a s c ie n ti fi c b a s e fo r c o n tro ll in g o f u n s t e a d y b r a k i n g o f s u r ro u n d in g ro c k m a s s , c h o o s in g o f th e k e y p o s iti o n o f s u p p o r t - in g s t o w in g a n d g ro u t i n g o f c l e a ra n c e a n d e x p e c ta t io n o f s u p p o r t e ff e c t . K e y w o r d s F u lly - m e c h a n i z e d m i n in g w it h t o p - c o a l c a v i n g o f g re a t e r p it c h i n g s e a m , U n s te a d y e v o l u t io n o f m i n in g c r a c k , S t a tis tic a l t h e o ry o f s o l i d n o n - e v e n f r a c t u re 1 概述 从西部矿山可持续发展战略分析， 目 前西部矿山 地下开 采的比例将越来越大， 且随着开采深度的增加， 地质条件恶 化， 地应力增大， 采矿过程中普遍存在的动力学问题也更加 FT r 。如大倾角煤层在动荷载作用下的滑移和大变形以及 高应力区的岩体工程稳定性问题; 开采引发裂隙扩展规律和 破坏机理以及非贯通裂隙岩体动力破坏间题。除了对地下 生产构成威胁之外 对地面的危害也非常大， 给西部造成大 量经济损失， 也影响社会稳定， 引起政府决策领导和科研人 员的高度关注 由于开采造成七 覆岩层的裂隙孕育、 离层产生、 围岩破 段失稳是开采空间的裂隙不断向上演化的复杂时空过程 围岩离层发生于地表以下的岩体中， 加之岩体力 学参数等固 有的非线性特征， 其整个开采引发的裂隙演化过程是一个 “ 黑箱” ， 同时也是一个非线性过程。无论是理论研究还是现 场实测研究都遇到了极大的困难。以某矿工作面综采放顶 煤开采条件下裂隙动态演化研究为背景， 探索围岩裂隙产 生、 发展与分布时空规律的一种极为重要的途径。利用固体 非平稳断裂统计理论， 对试验结果进行综合分析与评价。这 为围岩非稳态演化趋势及有效控制、 支护 充填与离层注浆 关键层位与范围的选择、 失稳时空的及时、 有效控制和支护 效果的预计提供正确理论和科学依据 ， 一 u ] Z 围岩离层演化与动态破断特征 工作面开采后， 靠近采场区域内的上艇岩层开始发生移 陕西省岩层控制重点实验室重点项目 2 仪 旧年 。 51 0 的是由观测数值绘制出三条竖向观测线在不同时刻的下沉 一时间曲线。 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 203职20320643漏127暇粥朋 ︸︸心︸。︸︸︸︸︸︸︸︸ nU246口丹 ︵日︶目始卜 动。当工作而推进到8 0 .时， 直接顶第一次垮落， 垮落厚度 为4 m , 垮落长度为5 2 . ， 老顶完整， 犹如梁支承于采空区两 侧的煤壁L 。当工作面继续推进到 1 0 4 。时， 直接顶第二次 垮落， 垮落厚度仍然是4 m ， 长度为1 8 m , 垮落步长明显缩短。 这时， 老顶稍有弯曲， 并在老顶上方出现破坏裂隙。当工作 面推进到1 1 2 .时， 老顶发生第一次垮落， 垮落厚度是6 . . 随着工作面的继续推进， 直接顶、 老顶不断垮落， 破裂高度也 不断向上发展。工作面推进到2 2 0 . 1 垮落高度发展到3 9 m , 在此之后， 工作面继续向前推进时， 垮落带最大高度不再向 上发展， 仅尾随工作面向前移动由模型获得的三带的高度 及其下沉曲线 如图 I 所示 K -k 二二 之二 习 一 一 、 \ 工 作面报进度 m a 2 侧线 { \ 盆 一 _ 、 _ ⋯ _ 州旧7 0 0润 00驯旧】 臼11 1 0 1 101234567n凡9 二了J 一扮 一 产 一 片苏梢内点位正信曲任 矛淞国 ︸引引箱 图 1 三带岩层典型下沉曲线 从 图1 中可以看出， 随着岩层高度的增大， 各岩层主要 影响范围和最大下沉值逐渐变小， 所有下沉曲线的形态呈非 对 称性 偏态性 。岩层下沉曲线的偏态性是由顶板岩层破 断的偏态性所致。在试验中观测到， 开切眼侧岩层断裂角变 化范围为5 5 0 一 6 0， 开采侧的断裂角变化范围为5 9 0 一 6 6。 地表岩层移动稳定后， 由中间竖向 观测线各观测点的最 终下沉值可计算出不同高度的岩层下沉系数， 以及下沉系数 与 岩层高度和采厚比的关系。从图2 分析可以发现， 不同深 度的岩层的下沉系数与岩层深和采厚比成近似线性关系， 随 高度的增大， 其下沉系数逐渐减小 工作面推进度t m n 4 侧线 图3 各观测线点不同时刻的下沉曲线 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 岩层距底板高度与 采厚比 图2 岩层下沉系 数与岩层高度和煤层采厚比的关系 3 覆岩的非稳态运动演化规律 31 岩层竖向 运动规律 在模型开挖过程中， 量测岩层各测点在不同时间的位移 ff t ， 可作出位移 一时间 推进度 曲线。图3 a 、 图3 b 所示 2 K 垂直观测线位于工作面开切眼内侧， 距开切眼1 5 0 . , 位于该竖向观测线上的点， 其下沉量从下至上逐渐减小， 在 整个下沉过程中各点的下沉不完全同步 非稳态 ， 而呈非连 续性。工作面推到2 6 0 .时， 首先是2 0 9 , 2 0 8 和2 0 7 三点发生 了明显的下沉， 其下沉量不等， 彼此之间存在着缝隙。特别 是2 0 7 号点与未发生移动的1 7 8 号点之间存在着2 . 0 4 .的 缝 隙。工作面推到3 2 0 .时， 上部岩层开始移动， 并影响到4 3 号 点。 这时， 最下部三点之间的缝隙开始闭合， 即通常所说 的冒 落带被压实， 而其他点之间的缝隙在增大， 特别是 1 2 7 号与1 0 0 号点之间的缝隙宽度达到3 m ， 这就是最大离层 1 0 0 号点位于坚硬的中砂岩中， 而1 2 7 号点位于相对较软的 枯土岩中。由此可见， 上硬下软的交互岩层在岩层移动过程 中常常会出现非稳态移动现象， 形成理想的离层空间， 对支 护 离 层注浆与充填 非常有利。 3 . 2 岩层横向运动规律 从图4 中可以 看出， 工 作面推进到3 0 0 .时， 6 “ , 5 两水 平观测线所处的上下位岩层在岩层中 部离层已 经闭合， 在开 切眼侧和开采侧还存在较大的离层空间。 3 “ 观侧线所在的 岩层稍有弯曲， 而4 “ 观测线所处的岩层弯曲下沉量较大 两 者之间的离层空间也最大。1 毋 、 2 ， 两观测线所在岩层几乎 没有发生弯曲下沉， 所以 两者之间也 不存在离 层缝隙。 从图5 可以 看出， 工作面推进到4 5 0 m时， 六条观测线所 创味启卜 一代生、困绍仁必 51 1 四1 点编 号 0 1，4567991 01 [1 2 / 播， 从而在上祖岩层中形成新的离层 2 最大离层横向演化规律在试验中发现， 搜岩移动 过程中产生的最大离层往往都出现在所有离层的最顶层 这类离层的特点是离层缝隙宽度大， 约占煤层开采厚度的 2 1 一 5 1 离层的上、 下位岩层的岩性差别较大. 上位岩层 厚而硬， 下位岩层较软。这种既厚又坚硬的岩层，一 方面支 撑着上覆岩层， 另一方面又阻止着开采空间继续向 巨 传播。 在最大离层层位由下向上的发展过程中， 最大离层的横 向位置也随着工作面的推进不断向前发展。具体表 现为最 大离层的前端和末端有规律地远离开切眼向前移动， 其统计 规律如图 6 所示 J﹃ ︵日︶崔昭心匕 图4 推进到3 0 0 .的下沉曲线 600绷400300200100 ︵-︶翻孟9哪谈四越最四饮只生 在的岩层都发生r弯曲下沉。由于各岩层的岩性及所处的 位置小同. E们的弯曲下沉最也不一样， 彼此之间的离层缝 隙也不尽相同 大部分离层中间都已闭合， 仅在两侧靠近煤 壁处保存着部分离层空间 测点编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 11 2 1 31 4 1 5 1 61 71 8 0 2 0 . 4住6 0 . 8 1 . 0 1 2 工作面推进度与 采涅之比 图 6 最大离层横向位置与进度采深比的变化规律 4 . 2 祖岩离层裂隙动态分布规律 离层裂隙发展规律还体现在工作面开采过程中纵向单 位长度_ L 离层裂隙 裂隙率 随时间的变化规律。现以3 “ 竖 向观测线为例， 对覆岩缝隙动态分布规律进行综合分析工 作面开采过程中采空区上覆岩层中离层缝隙率随岩层高度 的变化曲线， 如图7 和图 8 所示 ︵日︶︺理︸上 l二 图5 推进到4 5 0 m水平观测线的下沉曲线 .月口们翻召户J﹃台户户︺2 1月..1..一 ︵目︶升睡绷述湘 4 裂隙的非稳态演化规律 要研究围 s 非稳态演化趋势及有效控制， 必须搞清覆岩 离层裂隙的动态演化规律， 为充填或支 护关键层位与范围的 选择、 失稳时空的 控制和支护效果的预计提供理论依据。离 层裂隙的发展规律是指随着工作面的开采离层出现的位置、 离层大小 宽度和长度 及离层持续的时间等特性与地质采 矿因素的相互关 系。 4 . 1 最大离层裂隙演化规律 I 最大离层纵向演化规律。工作面开采后， 采空区顶 板在自 重及士 _ 彼岩层压力作用下发生弯曲下沉， 当内部应力 超过允许强度时发生垮落， 形成垮落带。下部岩层破坏后， 1 . 部岩层以同样的方式发生下沉、 弯曲和破坏。岩层的移动 破坏就是以这种方式由下向上逐步发展的。下部破碎的岩 体在体积 L 发生膨胀， 减少的上部岩层的下沉量， 同时由于 变形范围的逐步 扩展减少了岩层弯曲的曲率， 当岩层破坏发 展到一定高度后， 岩层内部的拉应力小于允许抗拉强度， 那 么这一岩层就只发生下沉和弯曲， 不产生垂直于层面方向的 断裂破坏， 保持岩层本身的整体性， 这一部位的各岩层虽然 自身是连续的， 但在下沉过程中在其层面上会产生离层。随 着工作而的继续推进， 离层的上位岩层悬露长度不断增大， 挠度也 不断增大， 离层开始逐渐闭合， 开采空间不断向上传 51 2 .....⋯⋯ 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 ，岩层距煤层顶板的高度 四 讯 . 一⋯面 ︵胡︶斧越然迪扣 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 岩层距级层顶板的高度 四 图7 工作面推过测线s o .和1 0 0 n时的缝隙率曲线 5 采动覆岩应力分布规律 覆岩应力的分布规律也是研究其稳定性及支 护 充填或 注浆 合理位置、 最佳时机等问题的基础。图8 是在模拟开 采过程中， 工作面推进到三 种不同位置情况下各测点在同一 时刻的应力曲线随工作面的推进， 采空区上 方 煤壁后侧 各层位首先出现的最低应力点 低于原始应力 或零应力点 即为离层的 起动点。该点和此时工作而位置的连线与 开采 I 2 1 0 8 6 4 2 可持续发展奠定了理论和技术基础， 为矿山企业的稳定发展 提供了科学指导依据 n}I 8 0 1 1 - 7 0 0- 6 0 0 - 5 0 0 - 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 川幻 服力计巨工作面的相 对位置 m 作者简介伍X平， 男， 3 9岁。教授， 博士， 陕西省跨世纪 “ 三五 ” 人才， 国家 煤炭工业专业 技术 拔尖人才。长期从李煤 矿开采方法和岩层控制以及巷 隧 道支护等领域的教学与 科研工作， 获省 部 级科技进步一等奖1 项， 三等奖4 项， 国 家专利4 项。出 版专著t 部， 编著 教材 3 本， 在 M i n in g E n - g i n e e r i n g , J o u n m l o f C o a l s c ie n c e E n g i n e e r in g C h i n a , I 学报 . 岩土工程学报 、 矿山 压力及 顶板管理 等学术刊物 上发表论文4 6 篇。 共谈袱卿叱来 图8 工作面采到6 4 0 .时各测点测得的应力曲线 参考文献 喋层在采空区一侧的夹角即为离层起动角 6 讨论与分析 应用物理模拟和数值模拟方法， 研究综采放顶煤开采条 件「 开采裂隙非稳态演化规律， 是一种非常有效的研究方 法， 「 面进行讨论与分析。 1 1作面开采后， 采空区周围的岩层发生了较为复杂 的移动和变形， 从煤层的直接顶板开始， 由下而上依次进行 冒落、 断裂、 离层、 裂隙、 弯曲， 最后形成垮落带、 裂隙带和整 体弯曲带在岩层由下而上的运动过程中会产生离层， 离层 产生的顺序为断裂离层至弯曲离层 2 随着岩层高度的增大， 各岩层主要影响范围和最大 「 沉值逐渐变小， 所有岩层下沉曲线的形态呈非对称性 偏 态性 。在实验中观测到， 开切眼侧岩层断裂角变化范围为 5 1 0 - 5 6 0 ， 开采侧的断裂角变化范围为5 9 0 一 6 6 - 。不同深度 的岩层 厂 沉系数与岩层深度和采厚比成线性关系， 随岩层高 度的增大， 其下沉系数逐渐减小。 3 大倾角煤层综采的试验与应用控制研究成功， 拓宽 并 推进 厂 综采技术使用范围， 进一步拓深了大倾角煤层开采 的理论幕础和应用基础的有效研究， 为高产高效矿井建设和 谢和平 . 深部高应力下的资源开采与地下土程机遇与挑 战 香山科学会议第 1 7 5 次学术讨论会交流材料, 2 0 0 1 钱鸣高， 刘听成矿山压力及其控制北京 煤炭上业出版仕 1 9 8 4 伍永平， 员东风， 张森丰大倾角煤层综采基本问题研究煤炭 学报, 2 0 0 0 , 5 伍永平， 员东风， 周邦远 等绿水洞煤矿大倾角煤层综采技术 研究与 应用 煤炭 科学 技术， 2 0 0 1 , 2 9 4 3 0 一 3 2 伍水平， 员东风大倾角综采支架稳定性控制矿山压力与顶 板管理, 1 9 9 9 . 3 - 4 截华阳地表非连续变形机理 与计算方法的研究 . 煤炭学报. 1 9 9 5 , 5 膝云海大倾角多煤层条带开采地表移动的研究矿山测量， 1 9 9 9 , 2 伊光志， 鲜学福大倾角煤层开采岩移基本规律的研究岩土 工程学报， 2 0 0 1 , 4 2 3 4 5 0 一 4 5 3 张建全， 来兴平综放开采条件下地表沉陷控制试验研究中 国矿业, 2 0 0 1 , 1 0 3 3 4 一 3 6 石平五， 来兴平， 伍水平复合岩体支护巷道破坏规律的实验系 统研制与 应用 北京科技大 学学报, 2 0 0 2 , 2 4 2 2 3 1 - 2 3 4 刘特洪， 林天健 . 软岩下程设计理论与 施下实践北京 中国建 筑 L ,Ib 出版衬. 2 0 0 1 51 3