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Journal of China Coal Society,2020,45113657-3666. 煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据 郭文兵1,2,赵高博1,白二虎1 1. 河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454000; 2. 煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作 454000 摘 要煤矿长壁开采引起的覆岩破坏高度对于水体下采煤、保水开采以及瓦斯治理的解放层开采 等均具有重要意义。 采用理论分析和数值模拟方法对煤矿高强度长壁开采引起的覆岩破坏高度及 其达到覆岩破坏充分采动的判据进行了研究。 基于覆岩破坏充分采动的定义,分析了覆岩破坏充 分采动的特征及其影响因素,包括工作面开采厚度、开采尺寸走向、倾向长度、开采深度与覆岩 岩性;提出了以“梯形-面积”“四棱台-体积”为依据的覆岩破坏充分采动理论判别方法,并将煤矿 长壁开采三维覆岩破坏及地表下沉简化为 4 类采动影响体积采空区长方体体积、上覆岩层预破 坏四棱台体积、覆岩破坏后的体积与地表下沉体积之间的关系,得到了工作面达到覆岩破坏充分 采动时的覆岩破坏高度理论表达式与覆岩“两带”破坏模式的判别式;基于某高强度开采工作面, 建立并校核了考虑现场最大、最小水平主应力方向与工作面推进方向夹角的三维数值模型,采用离 散元数值模拟方法分析了高强度开采工作面不同开采厚度、开采尺寸与开采深度对覆岩破坏充分 采动的影响。 结果表明高强度长壁开采工作面达到覆岩破坏充分采动时的推进距离与工作面倾 向长度、深厚比成反比,研究给出了高强度长壁开采覆岩破坏充分采动的判据及其适用条件。 关键词覆岩破坏充分采动判据;长壁开采;高强度开采;岩层移动 中图分类号TD745 文献标志码A 文章编号0253-9993202011-3657-10 收稿日期2019-09-29 修回日期2020-03-27 责任编辑钱小静 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2019.1335 基金项目国家自然科学基金资助项目51774111;河南省科技创新杰出人才基金资助项目184200510003 作者简介郭文兵1969,男,河南商丘人,教授,博士生导师。 Tel0391-3987902,E-mailguowb hpu edu cn 通讯作者赵高博1996,男,河南南乐人,硕士研究生。 E-mailzgbhpu163 com Critical failure of overlying rock strata and its criteria induced by high-intensity longwall mining GUO Wenbing1,2,ZHAO Gaobo1,BAI Erhu1 1. School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2. Synergism Innovative Center of Coal Safety Produc- tion in Henan Province,Jiaozuo 454000,China AbstractThe overburden failure height caused by longwall mining is of great significance to under water-body min- ing,water conservation mining and gas control in the mining of liberated strata. The overburden failure height,overbur- den critical failure and its criteria induced by high-intensity longwall mining were investigated by means of theoretical analysis and numerical simulation. Based on the definition of overburden critical failure,its characteristics and influen- cing factors were analyzed,including the mining height,mining size the strike length and dip length of a panel,min- ing depth and strata lithology. A theoretical assessment of overburden critical failure was proposed based on trapezoidal-area and quadrilateral-prism-volume. Overburden failure and surface subsidence due to longwall mining were simplified as four kinds of mining volumes,i. e. ,the cuboid volume of gob,the quadrangle volume of pre-dam- 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 aged overburden,the volume of damaged overburden and the volume of surface subsidence. The theoretical equation of overburden failure height when overburden critical failure is achieved and the judgement equation of “two zones” over- burden failure mode were obtained. Based on a high-intensity mining panel,the 3D numerical models that consider the maximum horizontal principal stress and minimum horizontal stress and their orientations with the panel advance direc- tion were established. The influence of different factors mining height,mining size and mining depth on overburden critical failure was analyzed by the numerical simulation. The results show that the advanced distance when the over- burden critical failure is reached is inversely proportional to the dip length and depth-to-thickness ratio of the panel. The criteria of overburden critical failure in high-intensity mining and its applicable conditions is given and applied to some panels. It can provide an important theoretical basis for the measurement of the maximum overburden failure height and the safe mining under the water-body. Key wordscriteria of overburden critical failure;longwall mining;high-intensity longwall mining;strata movement 煤矿开采是一次对矿区地层的扰动,必然引起上 覆岩层的破坏和应力场与裂隙场的改变,其中引起的 覆岩破坏高度也称“导水裂隙带高度”,即垮落带与 裂缝带高度的总和对水体下采煤、保水开采、瓦斯 治理的解放层开采等均具有重要意义1-3。 钱鸣高等4提出的关键层理论对采场上覆岩层 活动及其结构形态提供了一种重要的思想和方法;许 家林等5-6在此基础上结合工程探测的方法,研究了 关键层位置对覆岩破坏高度的影响,并提出了一种基 于关键层位置预计覆岩破坏高度的方法;郭文兵 等7-8研究了覆岩破坏传递的过程,并将覆岩破坏划 分为两个阶段覆岩破坏非充分采动阶段和覆岩破坏 充分采动,基于此提出了一种基于覆岩破坏传递的覆 岩破坏高度预计方法;高延法等9-10研究了覆岩裂缝 与岩层拉伸变形之间的关系,并提出了一种考虑覆岩 组合结构与岩层拉伸变形的覆岩破坏高度预计方法。 上述研究针对预计覆岩破坏高度的方法取得了 较大的进展,但关于如何控制覆岩破坏高度的研究较 少。 其中关于近水体下安全采煤的技术措施之一是 缩短工作面开采尺寸11,但具体将工作面尺寸缩短 为多少时可以控制覆岩破坏高度尚不明确。 因此,笔者基于覆岩破坏充分采动的定义,分析 了其特征及影响因素,采用理论分析、数值模拟,研究 给出了高强度开采覆岩破坏充分采动的判据。 1 覆岩破坏充分采动特征及影响因素 根据文献8,覆岩破坏充分程度可划分为覆 岩破坏非充分采动和覆岩破坏充分采动,并将覆岩破 坏充分采动定义为某一工作面开采引起的覆岩破坏 高度达到其采矿地质条件下的最大值,且随开采尺寸 的增加,其高度不再增加的阶段。 为分析覆岩破坏非充分采动与充分采动的特 征及影响覆岩破坏充分采动的因素,给出了覆岩破 坏过程及覆岩破坏非充分采动、充分采动的示意 图图 1。 由图 1 可知,当工作面推进距离为 LS1时,仅形 成垮落带图 1a;随着推进距离的增加覆岩破坏 向上发育,裂缝带形成图 1b,且与未破坏岩层 之间存在较大的离层裂缝空间;若推进距离继续 增加,覆岩破坏高度增加且离层裂缝空间减小,这 处于覆岩破坏非充分采动阶段。 当推进距离为 L S,裂缝带的岩块与弯曲下沉带 的岩层将存在点与面、线与面以及面与面的接触且相 互作用,这时离层将趋于闭合,覆岩破坏高度发育到 最大值,达到覆岩破坏充分采动。 因此,覆岩破坏充 分采动的特征为 裂缝带与弯曲下沉带之间的离 层裂缝趋于闭合; 覆岩破坏高度随着推进距离的 增加不再增加; 覆岩破坏高度达到最大值。 基于上述分析可知,直接影响覆岩破坏充分采动 的因素主要有推进距离LS、离层高度、以及覆 岩破坏最大高度Hmax。 另外,离层高度与开采厚 度M、各岩层厚度hi、覆岩碎胀系数K 有 关12-13;建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规范中计算覆岩破坏高度的经验公式表 明其与采煤方法、覆岩岩性及开采厚度有关15;根据 文献8 提出的临界工作面倾向长度公式及文献 16可知,覆岩充分采动的影响因素有开采尺寸、开 采厚度、开采深度、覆岩岩性。 因此,综合分析可知影 响覆岩破坏充分采动的因素主要有工作面开采尺 寸走向、倾向长度、开采厚度、开采深度、覆岩岩 性。 2 覆岩破坏充分采动理论 为定性分析上述因素对覆岩破坏充分采动的影 响,从二维平面及三维空间的角度对覆岩破坏充分采 动进行理论分析。 8563 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期郭文兵等煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据 图 1 覆岩破坏过程及覆岩破坏非充分采动、充分采动 Fig 1 Overburden failure process and overburden failure of subcritical and critical 2 1 二维覆岩破坏充分采动理论 覆岩破坏主要是由于工作面推进距离增加引起 的,且覆岩运移最终传递至地表形成下沉盆地。 简言 之,二维平面下采空区面积的增加引起了覆岩破坏面 积与地表下沉面积的增加。 根据覆岩破坏传递的过 程7,覆岩破坏后的形态由于覆岩岩层悬伸距的存 在将呈现为“梯形”,基于此将覆岩预破坏面积简化 为梯形的面积与工作面推进距离、覆岩破断角及覆 岩破坏高度有关,采空区面积简化为矩形的面 积与工作面推进距离和开采厚度,如图 2 所示。 图 2 二维覆岩破坏充分采动“梯形-面积”分析示意 Fig 2 Overburden critical failure analysis based on the area of trapezoid from two-dimensional perspective 由图 2 可知,工作面推进至位置 1 时,采空区矩 形面积为 SG1,上覆岩层预破坏梯形面积为 SO1,覆岩 破坏后的面积由于破坏岩层碎胀系数增长至 SO1K1, 且地表下沉面积为 SS1,这时覆岩破坏高度为 H1,失 稳岩层与未失稳岩层的离层高度为 1,地表下沉值 为 W1。 当工作面推进至位置 2 时,覆岩破坏高度增 大至 H2,离层高度减小为 2,地表下沉值为 W2。 工 作面推进至位置 1 和位置 2 时均处于覆岩破坏非充 分采动,采空区矩形面积SG与上覆岩层预破坏梯 形面积SO的总和覆岩破坏后的面积SOK与地 表下沉面积的总和SS,即 SG S O SOK SS1 式中,K 为覆岩破坏后的碎胀系数。 当工作面推进至位置 3 时,覆岩破坏发育至最大 高度,达到覆岩破坏充分采动阶段,即理论上失稳岩 层与未失稳岩层的离层高度减小至 30,且采空区 矩形面积与上覆岩层预破坏梯形面积被覆岩破坏后 的面积与地表下沉面积完全替换。 这时,采空区矩形 面积、上覆岩层预破坏梯形面积、上覆岩层破坏后的 面积、地表下沉面积的关系为 SG S O S OK SS 2 SG MLS3 SOLS- Hi tan Hi4 SS LS r -r Wx - Wx - LSdx Wx Wmax 2 2 r x 0 e -u 2du 1 5 9563 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 式中,Hi为工作面推进至位置 i 时的覆岩破坏高 度,m; 为覆岩破断角均值,;r 为主要影响半径, 为开采深度H 与主要影响角正切tan 的比 值,m;Wx为走向主断面内的半无限开采地表下沉 曲线公式。 联合式2 5可得 K - 1 tan H2 max - K - 1L SHmax ML S - S S 0 6 式中,L S为二维平面覆岩破坏充分采动时的工作面推 进距离,m。 解式6得 Hmax L Stan 2 1 -1 - 4ML S - S S K - 1L2 Stan 7 因此,得到了二维平面下覆岩破坏充分采动时覆 岩破坏最大高度Hmax的理论计算公式。 当工作面推进至位置 3 时,虽然覆岩破坏处于充 分采动阶段覆岩破坏高度达到最大,但失稳垮落 岩块间的空隙、空间比较发育,失稳岩层间的离层裂 缝仍未完全闭合,覆岩弯曲变形尚未完全传递至地 表,因此,此时的地表下沉值为 W3,尚未达到最大,处 于地表非充分采动阶段。 当工作面推进至位置 4 时, 覆岩破坏高度不再增加,处于覆岩破坏超充分阶段, 这时地表下沉值将达到最大值 Wmax,进入地表充分 采动阶段。 另外,根据上述分析,可得到覆岩“两带”破坏模 式垮落带和裂缝带的判别式为 Hmax H C W max H8 式中,HC为地表裂缝的深度,m;Wmax为地表下沉最 大值,m。 2 2 三维覆岩破坏充分采动理论 现场实际工作面的回采处于三维的空间,为进一 步分析现场的覆岩破坏充分采动,将上述二维平面覆 岩破坏“梯形-面积”转化为三维空间覆岩破坏,则需 要考虑工作面倾向长度LD,如图 3 所示。 与上述二维平面覆岩破坏理论分析类似,将“梯 形-面积”转化为“四棱台-体积”,因此当覆岩破坏处 于非充分采动,有 VG V O VOK VS9 式中,VG为采空区长方体体积,m3;VO为上覆岩层预 破坏四棱台体积,m3;VS为地表下沉体积,m3。 当达到覆岩破坏充分采动时,有 VG V O V OK VS 10 其中, VG MLSLD11 图 3 三维覆岩破坏充分采动“四棱台-体积”分析示意 Fig 3 Overburden critical failure analysis based on the volume of four prism from three-dimensional perspective VO 4Hi3 3tan 2 - LS L DH 2 i tan L SLDHi 12 VS LD r -r LS r -r Wx,y - Wx - LS,y - LDdxdy Wx,y 1 WmaxWxWy 13 式中,Wy为倾向主断面内的半无限开采地表下沉 曲线公式10。 联合式10 13得 4H3 max - 3L S L Dtan Hmax 2 3L SLDtan 2 Hmax- 3ML SLD - V Stan 2 K - 1 0 14 式中,L S为三维空间覆岩破坏充分采动时的工作面推 进距离,m。 解式14得 Hmax 4 L S - L D 2tan 2 4 L S L Dtan 4 8C - 3LDL 2 S - L 3 S L D - 3L Stan 3 2 16C 2 - 10LDL3 S - 3L4 S 3L2 Stan 6 - 4C3LDL2 S L 3 S L D - 3L S 1 2 1 3 C 3ML2 D - V Stan 2 K - 1 15 因此,得到三维空间下覆岩破坏充分采动时覆岩 破坏高度Hmax理论计算公式。 综合式7,15可知,覆岩破坏充分采动时的 覆岩破坏最大高度与开采厚度、开采尺寸、开采深度、 覆岩破坏后的碎胀系数以及覆岩破断角有关,且与开 采厚度、工作面推进距离、覆岩破断角成正相关关系, 0663 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期郭文兵等煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据 与覆岩破坏后的碎胀系数、地表下沉面积、体积成负 相关关系。 根据上述分析,创新性的将长壁开采三维覆岩破 坏及地表下沉简化为 4 类采动影响体积采空区长 方体体积、上覆岩层预破坏四棱台体积、覆岩破坏后 的体积与地表下沉体积之间的关系,较为直观的体 现了长壁开采导致的覆岩破坏与地表下沉,并将采动 覆岩破坏与地表沉陷的准静态建立了联系。 3 覆岩破坏充分采动数值模拟 根据上述覆岩破坏充分采动理论分析,得到了二 维平面及三维空间下覆岩破坏充分采动时覆岩破坏 高度理论表达式,可用于定性分析各个影响因素之间 的关系,但因其形式复杂,现场应用困难,因此有必要 对覆岩破坏充分采动进行数值模拟分析。 3 1 数值模拟方案 3 1 1 高强度开采工作面概况 选取神东沙吉海煤矿 B1003W01 工作面为研究 对象, 该 工 作 面 平 均 采 深 约 280 m, 走 向 长度 1 930 m,工 作 面 倾 斜 宽 度 210 m, 推 进 速 度 为 5 8 m/ d,煤层倾角平均 13,开采厚度平均为 6 5 m, 综合机械化放顶煤开采,符合高强度开采工作面的定 义及特征17-18。 根据实测资料19,该矿最大水平主 应力与最小水平主应力的比值介于 1 79 1 91,平 均 1 85;最大水平主应力与垂直应力的比值介于 1 47 1 54,平均 1 50。 根据地应力测量,沙吉海煤 矿最大水平主应力与工作面推进方向的夹角20, 取 18,工作面上覆岩层岩性属于软弱。 综合相关钻 孔,工作面上覆岩层 180 m 范围内的覆岩柱状如图 4 所示。 3 1 2 数值模拟方案及模型建立 根据上述分析的覆岩破坏充分采动影响因素,借 助 3DEC 离散元数值模拟软件分别模拟开采不同厚 度3 5,6 5,9 5,12 5,15 5 m、 不同倾向长度 180,210,240,270,300 m、不同开采深度180, 280,380,480,580 m时覆岩达到充分采动程度的工 作面推进距离。 图 4 覆岩柱状 Fig 4 Overburden strata structure 另外,如图 5 所示,模拟沙吉海煤矿 B1003W01 高强度开采工作面与最大主应力的夹角为 18,走向 长度为300 m,每15 m 开挖1 次,共开挖20 步。 为去 除边界效应,边界煤柱为 100 193 m。 模拟工作面 图 5 数值模拟模型尺寸及工作面布置 Fig 5 Size of numerical simulation model and panel layout 1663 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 上覆岩层范围为 180 m,并在模型上方施加未模拟的 100 m 岩层载荷 2 5 MPa;工作面底板岩层总厚度为 40 m。 三 维 数 值 模 型 尺 寸 为 550 m 511 m 226 5 m长宽高。 3 1 3 数值模拟模型校核 基于沙吉海 B1003W01 高强度开采工作面原采 矿地质条件,考虑最大、最小水平主应力的比值、最大 水平主应力与竖直应力的比值, 模拟开采厚度 6 5 m,工作面倾向长度 210 m,开采深度 280 m 时的 覆岩破坏情况,并对模型进行校核,其中覆岩各岩层 及其节理的模拟力学参数见表 1。 以节理法向位移判断覆岩裂隙发育情况,进而得 到覆岩破坏高度,沙吉海 B1003W01 工作面部分覆岩 破坏高度发育过程中的节理法向位移图如图 6 所示。 表 1 覆岩各岩层及节理模拟力学参数 Table 1 Parameters of mining strata and block contact face 序号岩层 开采厚 度/ m 密度/ kgm -3 体积模 量/ GPa 剪切模 量/ GPa 抗拉强 度/ MPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 节理法向 刚度/ GPa 节理切向 刚度/ GPa 18粗砂岩7 22 7008 65 97 59 7390 950 00 880 0 17砾岩4 42 7509 15 56 77 9390 510 00 450 0 16泥岩5 12 6002 71 12 12 7300 046 00 044 0 15粉砂岩8 92 5006 63 82 42 6300 152 00 125 0 14粗砂岩12 82 75010 25 05 25 9350 199 00 186 0 13泥质粉砂岩9 22 6501 80 81 52 1290 045 00 041 8 12粉砂质泥岩3 92 5002 81 11 52 3300 032 00 032 0 11粉砂岩16 22 3404 92 12 64 4320 081 00 070 0 10中砂岩22 52 50012 36 35 37 1360 160 00 152 0 9粗砂岩19 82 7508 95 13 85 5350 132 00 111 0 8B12 煤3 21 5000 70 21 21 2210 012 00 016 0 7砂质泥岩31 62 6002 71 24 94 4350 090 00 095 0 6粉砂质泥岩19 42 5001 70 92 03 0310 043 00 034 0 5粉砂岩14 02 3405 92 13 64 4340 081 00 044 0 4泥岩1 92 6001 50 72 12 3300 065 00 051 0 3B10 煤层6 51 5002 70 91 51 0210 019 30 194 0 2底板岩层 122 02 5009 15 85 78 9400 520 00 440 0 1底板岩层 218 02 6006 64 08 29 6420 510 00 250 0 图 6 沙吉海 B1003W01 工作面覆岩破坏法向节理位移 Fig 6 Joint normal displacement of overburden failure of No B1003W01 panel in shajihai coal mine 由图 6 可知,当工作面推进至 180 m 时覆岩破坏 最大高度为 89 m,达到覆岩破坏充分采动,其覆岩破 坏发育过程及三维覆岩破坏充分采动节理法向位移 图如图 7,8 所示。 由数值模拟可知,覆岩破坏最大高度89 m和 初次来压步距30 m与现场实测的 76 82 m,28 图 7 沙吉海 B1003W01 工作面覆岩破坏高度发育曲线 Fig 7 Curve of overburden failure of No B1003W01 panel in shajihai coal mine 35 m 相近20,数值模拟模型合理,可用于不同开采 厚度、倾向长度及深度的数值模拟分析。 3 2 数值模拟结果 3 2 1 不同开采厚度对覆岩破坏充分采动的影响 不同开采厚度的覆岩破坏高度发育过程及达 到覆岩破坏充分采动时的推进距离曲线如图 9 所 示。 2663 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期郭文兵等煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据 图 8 沙吉海 B1003W01 工作面覆岩破坏充分采动时的三维节理法向位移 Fig 8 Joint normal displacement of overburden critical failure of No B1003W01 panel from 3D perspective 图 9 开采厚度对覆岩破坏充分采动的影响分析 Fig 9 Influence of the mining height on overburden critical failure in shajihai coal mine 由图 9 可知,开采厚度越大,覆岩破坏达到充分 采动的推进距离越大。 开采厚度M与覆岩破坏充 分采动时的推进距离L S关系式为 L S 102 1ln M - 16 324,R 2 0 98116 3 2 2 不同倾向长度对覆岩破坏充分采动的影响 不同倾向长度的覆岩破坏高度发育过程及达 到覆岩破坏充分采动时的推进距离曲线如图 10 所 示。 由图 10 可知,倾向长度越大,覆岩破坏达到充分 采动的推进距离越小。 倾向长度LD与覆岩破坏充 分采动时的推进距离L S关系式为 L S- 0 5LD 285,R2 117 3 2 3 不同开采深度对覆岩破坏充分采动的影响 不同开采深度的覆岩破坏高度发育过程及达到 覆岩破坏充分采动时的推进距离曲线如图 11 所示。 由图 11 可知,开采深度越大,覆岩破坏达到充分 采动的推进距离越小。 开采深度H与覆岩破坏充 分采动时的推进距离L S关系式为 L S- 0 27H 246 6,R 2 0 97618 根据上述分析可知,覆岩破坏充分采动时的推 图 10 倾向长度对覆岩破坏充分采动的影响分析 Fig 10 Influence of the panel dip length on overburden critical failure 3663 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 11 开采深度对覆岩破坏充分采动的影响分析 Fig 11 Influence of the mining depth on overburden critical failure 进距离与开采厚度成正相关,与倾向长度、开采深度 成负相关。 另外,就沙吉海矿地质采矿条件而言,通过上述 数值模拟结果分析可得 1覆岩破坏高度随高强度开采工作面推进距 离的增加而增加,且与开采厚度成明显的正相关关 系图 9,与上述式7,15的覆岩破坏最大高度 公式理论分析结果相吻合。 2当高强度开采工作面的倾向长度大于 180 m 时,覆岩破坏高度不再随工作面倾向长度的增加而增 加图 10。 3覆岩破坏高度与开采深度180 580 m成 一定的负相关关系。 4 高强度开采覆岩破坏充分采动判据 4 1 覆岩破坏充分采动模拟结果 为进一步分析高强度开采覆岩破坏充分采动,对 数值模拟结果进行汇总,见表 2。 表 2 中硬或软弱覆岩破坏充分采动模拟结果汇总 Table 2 Summary of simulation results of overburden critical failurem 模拟方案开采厚度倾向长度开采深度覆岩破坏高度覆岩破坏充分采动推进距离 不同开采厚度 不同倾向长度 不同开采深度 3 521028031105 6 521028089180 9 5210280111225 12 5210280125240 15 5210280135255 6 518028089195 6 521028089180 6 524028089165 6 527028089150 6 530028089135 6 521018089195 6 521028089180 6 521038075135 6 521048075120 6 52105807590 据表 2,深厚比H/ M与覆岩破坏充分采动时的 推进距离L S的关系曲线如图 12 所示。 由图 12 可 知,深厚比与覆岩破坏达到充分采动的推进距离成负 相关,关系式为 L S- 2 223 H M 280 37,R2 0 95618 4 2 高强度开采覆岩破坏充分采动判据 根据上述分析,覆岩破坏充分采动时推进距 4663 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 第 11 期郭文兵等煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据 离L S与工作面倾向长度LD、深厚比H/ M成反 比。 综合分析得到工作面倾向长度与深厚比的乘积 对覆岩破坏充分采动时推进距离的影响曲线,如图 13 所示。 图 12 深厚比与覆岩破坏充分采动时的推进距离的关系 Fig 12 Ratio of mining depth and mining height vs advanced distance at overburden critical failure stage 图 13 倾向长度与深厚比的乘积与覆岩破坏充分采动时 的推进距离的关系 Fig 13 Product of dip length and ratio of mining depth and mining height vs advanced distance at overburden critical failure stage 由图 13 得到高强度开采工作面覆岩破坏充分采 动的判定公式 L S- 0 010 7LD H M 279 3,R2 0 955 19 式中,覆岩岩性为中硬或软弱;开采厚度为 3 5 15 5 m;倾向长度为 180 300 m;开采深度为 180 580 m。 4 3 工程实例验证 选取了 8 个高强度开采工作面,应用式19进 行核算,验证判据公式的合理性,计算结果见表 3。 根据上述结果,得到高强度开采工作面达到覆岩 破坏充分时推进距离均小于其开采深度,说明覆岩破 坏达到充分采动提前于地表达到充分采动需要达 到 1 2H 1 4H。 另外,根据高强度开采覆岩破坏 充分采动判据,将工作面推进距离缩短至小于临界推 进距离时可控制覆岩破坏高度。 另外,目前覆岩破坏高度现场实测数据较多,但 这些实测结果尚不能确定其是否在覆岩破坏充分采 动阶段测得的最大值,根据本文提出的覆岩破坏充分 采动判据式19,可计算得到高强度开采工作面达 到覆岩破坏充分采动时所需的推进距离,当高强度开 采工作面推进距离满足覆岩破坏充分采动时,可在现 场实测出覆岩破坏最大高度。 表 3 高强度开采工作面覆岩破坏充分采动推进距离 Table 3 Advanced distances at overburden critical failure stage with some high-intensity mining panel 高强度开采 工作面 覆岩 岩性 开采厚 度/ m 倾向长