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第 43 卷第 9 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 9 2018 年9 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYSep. 2018 移动阅读 王家臣,王兆会. 综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制J. 煤炭学报,2018,4392376-2388. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0600 WANG Jiachen,WANG Zhaohui. Propagating mechanism of top-coal fracture in longwall top-coal caving miningJ. Journal of China Coal Society,2018,4392376-2388. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0600 综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 王家臣,王兆会 1. 中国矿业大学北京 资源与安全工程学院,北京 100083; 2. 放顶煤开采煤炭行业工程研究中心,北京 100083 摘 要为探究采动应力场作用下顶煤裂隙场发育特征,采用室内实验、数值模拟、理论分析和现场 实测等方法对综放开采顶煤裂隙场扩展的应力驱动机制进行了分析。 顶煤冒放性同采动裂隙发育 程度呈正相关,推导出顶煤裂隙发生 I,II 和 I-II 型扩展的应力场条件和优势扩展裂隙角确定方 法,顶煤裂隙扩展与否和扩展类型受到主应力大小和主方向的影响;煤层回采后,顶煤最大和最小 主应力均存在超前峰值现象,最大主应力演化存在增大和减小 2 个阶段,最小主应力则经历增大、 减小和反向增大 3 个过程;煤壁前方最大和最小主应力方向在平行于推进方向的垂直平面内 向采空区旋转,两者在平面 内的旋转角度一致,煤壁后方发生反向回旋,最大主应力偏离平面 , 最终旋转至工作面倾斜方向;最小主应力在水平面内的旋转角度同推进方向与初始最小地应力方 向之间的夹角相等,最大主应力在水平面内不旋转;由于主应力增大和主方向旋转,顶煤裂隙首先 发生 I 型扩展,最大主应力峰值附近,顶煤裂隙在高围压作用下发生纯 II 型扩展,煤壁附近,顶煤裂 隙在开挖卸荷作用下发生 I-II 混合型扩展,破碎顶煤最终于支架后方冒落;由于主应力方向的旋 转效应,顶煤采动裂隙向采空区倾斜,根据顶煤裂隙扩展机理的不同,将顶煤划分为原岩应力区、微 裂隙加密区、剪切破坏区、拉剪混合破坏区和散体冒落区。 关键词主应力大小;主应力方向;应力旋转;裂隙场 中图分类号TD323 文献标志码A 文章编号0253-9993201809-2376-13 收稿日期2018-05-04 修回日期2018-07-31 责任编辑毕永华 基金项目国家自然科学基金面上资助项目51974264;国家重点研发计划资助项目2017YFC0603002 作者简介王家臣1963,男,黑龙江方正人,教授,博士生导师。 Tel010-62339066,E-mailwangjiachen vip sina com 通讯作者王兆会1987,男,山东泰安人,博士后,博士。 E-mailzhwang1024163 com Propagating mechanism of top-coal fracture in longwall top-coal caving mining WANG Jiachen,WANG Zhaohui 1. College of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and TechnologyBeijing,Beijing 100083,China; 2. Top-coal Caving Mining Research of Coal Mining Industry,Beijing 100083,China AbstractIn order to understand the fracturing mechanisms of top coal,lab testing,numerical modeling,theoretical analysis and field measurement are used to study the driving forces of top-coal fractures. Top-coal cavability is posi- tively proportional to the development of mining-induced fractures. Stress conditions for different propagation modes I,II and I-II of top-coal fractures are determined where dominant propagation angle is considered. Propagation and associated pattern are dependent on the magnitude and direction of principal stresses. There are peak points of major and minor principal stresses occurring ahead of the longwall face. The major principal stress remains in loading state while minor principal stress undergoes loading,unloading and reverse loading processes. Major and minor principal di- rections rotate to the gob in a vertical plane parallel to the advancing direction in front of the longwall face. Rota- 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期王家臣等综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 tion angle of two principal stresses keeps equal in plane . Reverse rotation occurs subsequently at the rear of the long- wall face. The major principal direction deviates from plane and becomes parallel to dip direction. In horizontal plane,the rotation angle of minor principal stress is equal to the angle between advancing direction and initial minor principal axis and that of major principal stress is zero. Due to the increase of principal stress magnitude and rotation of principal direction,top-coal fracture propagates in mode I first. Then,the mode turns into mode II because of high mi- nor principal stress. In the proximity of longwall face,the fractures propagate in the mix mode I-II. Because of principal stress rotation,mining-induced fractures in top-coal incline to the gob consistently. Based on the propagation modes, top coal is divided into five zones,including initial stress zone,microcrack-increasing zone,shear failure zone,tensile- shear failure zone and caving zone. Key wordsstress magnitude;principal direction;stress rotation;fracture field 近年来,综放技术在我国厚煤层开采中得到广泛 应用,通过理论、技术和设备创新,该技术已经成功应 用于 60急倾斜厚煤层和 20 m 近水平特厚煤层的长 壁式开采1-2。 长期实践表明放顶煤开采技术成为 我国煤炭开采领域取得的一项重要标志性成果,为国 内外厚煤层开采提供了宝贵借鉴3。 综放开采基础 理论研究主要包含 3 个方面支架-围岩关系、顶煤 破坏机理和散体顶煤放出规律3。 支架-围岩关系 方面提出了顶板压力确定的动载荷法和煤壁“棕绳 注浆”柔性加固技术,形成了“顶板-煤壁”协同控制 的二元准则4-7。 散体顶煤放出规律方面提出了涵 盖煤岩分界面、顶煤放出体、顶煤采出率和含矸率多 要素的 BBR 研究体系8-11。 顶煤破坏机理受限于煤 体力学性质的复杂性和顶煤破坏过程的不可视性,研 究进展相对迟缓,主要研究成果集中在以下几点 放顶煤开采技术应用初期,研究者认为顶煤在支 承压力作用下压坏,顶煤破坏特征同单轴抗压实验中 煤样破坏形态相似12;岩石力学实验结果表明煤体 破坏形式取决于应力环境,根据受力特征和破坏程 度,沿走向方向对顶煤进行了经验分区,定性分析了 顶煤破坏机理3,13-14。 文献15将顶煤原岩应力区 至散体冒落区视为一个加卸荷破坏过程,定量分析了 加卸荷应力路径对顶煤破坏范围和程度的影响;文献 16提出含裂隙顶煤重构方法,构建了煤体宏-细观 本构模型,对卸荷煤体破坏特征进行了模拟;文献 17-18采用随机损伤力学对顶煤破坏过程进行了 分析,得到顶煤损伤因子沿工作面走向的演化特征; 文献19认为顶煤破坏程度取决于煤中裂隙发育程 度,通过对顶煤采动裂隙分布特征的拓扑分析提出顶 煤采出率预测方法;文献20建立煤体塑性变形同 煤体超声波速之间的定量关系,构建了煤体超声波速 预测模型,实现了顶煤冒放性指标的可计算性和工程 可测性。 目前,综放开采技术仍应用于澳大利亚和土耳其 等国家。 KHANAL 等对顶煤应力和位移分布以及覆岩 运动对顶煤变形破坏过程的影响进行了模拟分析21; ALEHOSSEIN 等将顶煤分为煤壁前方和煤壁后方两个 阶段,采用极限平衡理论分析了煤壁前方顶煤应力状 态,推导出表征顶煤塑性变形程度的屈服指数,采用静 力平衡理论分析了煤壁后方顶煤的平衡条件,推导出 顶煤冒落指数,结合屈服指数和冒落指数得到顶煤冒 放性指标22;VAKILI 等通过对顶煤破坏影响因素的 多元统计分析,实现冒放性分级,提出变形模量、垂直 应力、水平应力、煤层厚度、裂隙密度是顶煤冒放性的 关键影响因素23;YASITLI 等模拟了支架对顶煤冒落 特征的影响,支架上方1 5 m 范围内顶煤破碎充分,支 架上方3 5 m 范围之外的顶煤不发生破坏,认为顶煤 厚度是影响冒放性的关键因素24;BASARIR 等对 20 30 m 近水平特厚煤层分层综放开采顶煤应力场 进行了理论和模拟分析,认为采空区冒落矸石承载特 征对顶煤垂直应力分布具有明显影响25。 综上所述,国内外学者采用不同方法对综放开采 顶煤破坏机理进行了大量研究,在指导综放采场设计 中起到巨大作用。 但是,顶煤采出率偏低仍是综放开 采急需解决的难题,其中顶煤裂隙发育程度是影响顶 煤冒放与回收的关键因素,笔者重点分析顶煤裂隙扩 展的应力场条件,深入研究顶煤主应力和主方向,进 而得到主应力大小和方向对顶煤裂隙发育的影响,旨 在揭示顶煤裂隙场扩展的应力驱动机制。 1 顶煤采动裂隙发育过程 1 1 观测方法 顶煤裂隙观测站布置于汾西新柳煤矿某综放工 作面运输巷道,测站初始位置超前工作面煤壁 20 m, 如图 1 a 所示。 每个测站在巷道内帮钻取直径 32 mm 的钻孔,孔深 15 m。 钻孔同水平面之间保持 20夹角。 测站布置好之后,随工作面推进,采用钻孔 成像仪对钻孔内壁变形破坏情况进行跟踪监测,如图 7732 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 1b所示。 根据观测结果可以得到钻孔距工作面煤 壁不同距离时,顶煤中的采动裂隙发育程度。 图 1 顶煤采动裂隙实测 Fig 1 Measuring of top-coal fracture 1 2 观测结果 钻孔内壁变形破坏特征的实测结果如图 2 所示。 超前工作面 20 m 处,钻孔变形量小,孔壁光滑,顶煤 没有受到开采活动影响,保持完整状态;钻孔同煤壁 距离为12 m 时,钻孔内壁变形仍然不大,但内壁出现 两条裂隙,由于顶煤受开采扰动程度低,裂隙保持闭 合状态;工作面继续推进,钻孔同煤壁间距 11 m 时, 孔壁仍然没有发生明显变形,但同孔壁相交的采动裂 隙增加至 3 条,所有裂隙均保持闭合状态;钻孔到煤 壁距离减少至9 m 时,同钻孔内壁相交的裂隙发生扩 展和张开,裂隙长度和张开度升高,顶煤变形量增大; 钻孔距离煤壁 7 m 时,采动裂隙发生明显的剪切错 动,右下侧孔壁破碎严重,剪切错动下,采动裂隙面两 侧顶煤中出现局部拉应力,孔壁右下侧出现部分小体 积破碎煤块;由于右下侧钻孔内壁破碎严重,失去承 载能力,临近钻孔的顶煤中采动应力非均布程度升 高,切应力向左上侧孔壁转移;钻孔同煤壁距离减小 至5 m 时,左上侧钻孔内壁在集中应力作用下发生破 坏,整个钻孔内壁被裂隙切割程度高,钻孔中碎块脱 落现象严重。 顶煤被采动裂隙切割程度高,则冒放性好,综放 开采可实现高资源采出率;顶煤采动裂隙发育程度 低,则冒放性差。 观测结果表明随着顶煤到煤壁水平 间距的减小,顶煤中裂隙发育程度和顶煤被采动裂隙 的切割程度升高,顶煤冒放性增强。 文献19研究 结果表明顶煤破碎块度分布可根据采动裂隙参数进 行确定,进而估算顶煤采出率。 顶煤冒放性和破碎块 度同采动裂隙发育程度直接相关。 图 2 顶煤采动裂隙发育过程 Fig 2 Development of top-coal fractures 2 顶煤采动裂隙扩展的应力场条件 煤层是被非连续面切割的复杂地质体,其中存在 大量的原生微裂隙,采动作用下,这些微裂隙发生扩 展,并产生新的采动裂隙,形成可以直接观测的大尺 度裂隙。 煤中裂隙存在 3 种最为常见的扩展形式拉 伸型I、剪切型II和拉-剪混合型扩展I-II。 2 1 顶煤裂隙 I 型扩展条件 发生拉伸破坏的顶煤裂隙通常为张开型裂隙,断 裂力学将该类微裂隙简化为扁椭圆形,如图 3 所示。 微裂隙承受远场应力1,3的作用,1,3分别为 顶煤中的最大和最小主应力。 椭圆形微裂隙图 3周边切应力分布可由下式 确定26 1 3sh 2 - e 2cos 2 - - cos 21 - 3 / ch 2 - cos 2 1 式中,为切应力,MPa; 为最大主应力同裂隙长轴 的夹角,称为裂隙角,; 和 分别为椭圆坐标系 中的坐标值; arccha/ c,其中 c a2 -b 21/2,a 和 b 8732 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期王家臣等综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 分别为直角坐标系中裂隙的长轴和短轴,m。 图 3 顶煤张开型微裂隙简化图 Fig 3 Simplified model for opening micro crack 另式1关于参数 的一阶导数等于 0,二阶导 数大于 0,可得裂隙周边切应力取极小值的条件为 21sin2 - 2 1sin 2 2 3cos 2 3cos2 / 1 - 3sin 2 2 将式2代入式1,可得裂隙周边切应力的最 小值为式3,由该式可知切应力最小值小于 0压为 正,拉为负,即裂隙周边出现拉应力,且式3确定 的值即为裂隙周边的最大拉应力值。 min tmax 1 1sin2 3cos2 - 2 1sin 2 2 3cos 2 3 式中,min,tmax分别为最小环向切应力和最大拉应 力,MPa。 微裂隙尖端的最大拉应力达到煤体的抗拉 强度时,裂隙发生 I 型扩展,式2表明裂隙扩展方向 不沿原有裂隙面方向,而是偏向于最大主应力方向, 该结论同实验结果一致27。 由式3可得微裂隙尖端最大拉应力随主应力 大小和方向的变化趋势如图 4 所示最大拉应力随着 最大主应力的增加单调增大,随着最小主应力的增加 单调减小,随着裂隙角的增加先增大后降低。 在主应 力大小一定的条件下,存在一个裂隙角使裂隙尖端最 大拉应力达到最大值,该裂隙角称为顶煤微裂隙的优 势扩展裂隙角m。 另式3关于参数 的一阶导数值等于 0,可得 优势扩展裂隙角为 m arccos 1 2 31 3 1 3 4 将式4代入式3可得顶煤最大主应力同裂隙 长轴之间的夹角等于优势扩展裂隙角时,裂隙尖端的 最大拉应力m为 m- 1 - 3 2 41 3 5 由式4 5可知,顶煤主应力大小保持不变, 图 4 裂隙尖端最大拉应力影响因素 Fig 4 Influencing factors of tensile stress around micro crack 主方向发生旋转的条件下,若最大主应力旋转至优势 扩展裂隙角,且式5得到的最大拉应力达到顶煤抗 拉强度,顶煤中的微裂隙同样会发生扩展。 因此,最 大主应力增加、最小主应力减小和主方向旋转均可导 致煤中裂隙的扩展。 单轴抗压实验中,煤体劈裂破坏 就是最大主应力增加导致煤中裂隙发生 I 型扩展的 典型案例图 5a。 图 5 煤中裂隙扩展模式 Fig 5 Failure modes under various compression conditions 红拉伸裂隙;黄剪切裂隙 2 2 顶煤裂隙 II/ I-II 型扩展条件 闭合裂隙扩展是造成煤体发生剪切破坏的主要 原因,如图 6 所示虚线为闭合裂隙,假设顶煤中含 长度为 2c 的闭合裂隙,远场承受最大和最小主应力 分别为 1和 3。 上述边界条件下,含裂隙煤体的极 限承载能力可由下式确定26 1 2 KIIc 0 f d3 c sin 2 - fd1 - cos 2 6 式中,KIIc为裂隙发生 II 型扩展的断裂韧性;fd为裂 隙面上的动摩擦因数;0为裂隙面黏聚力。 由式6可知煤体剪切破坏判据同时受到主应 力大小和方向的影响,另式6一阶导数值等于 0 可 得优势扩展裂隙角为 m 1/2arctan1/ fd7 为简化分析,另图 6 最大主应力同裂隙面的夹角 9732 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 6 顶煤闭合型微裂隙简化图 Fig 6 Simplified model for closed micro fracture 等于优势扩展裂隙角。 将主应力边界转化为同 x,y 轴平行的应力边界p,,则裂隙面上的正应力为 n- p cos 28 其中,p1 3 /2,1 - 3 /2。 由式8可得 微裂隙闭合且上下表面间存在摩擦力的条件为 p/ cos 29 将式7代入式9可得裂隙面上存在剪应力的 条件为 p/ fd/1 f2 d d 0 10 闭合受压裂隙的应力强度因子26为 KIIc - f dp sin 2 fdcos 2 11 将式9和10代入式11可得裂隙尖端应力 强度因子最大值 KIImax- fdp 1 f2 d 12 将式12代入 II 型裂隙尖端应力场确定公式可 得裂隙尖端最大剪应力和正应力分别26为 max- Ap B,max D - Cp13 A fd 2r0/ c B 1 f2 d 2r0/ c 1 1 f2 d C 1 3fd 22r0/ c cos 0 2 sin 0 D 31 f2 d 22r0/ c cos 0 2 sin 0 cos 2 -0 14 其中,max和 max分别为最大正/ 剪应力;0为裂隙 断裂角,裂隙发生 II 型扩展其值取 0,发生 I-II 型扩 展其值取 arccos1/3 26;r 0 为裂隙尖端过程区宽 度,m。 合并式13和14得 max max B - Ap/ D - Cp/ 15 闭合裂隙抗剪强度由库伦-莫尔准则确定 mc 6t1 f2 s - f s fs n16 式中,t为顶煤抗拉强度;fs为静摩擦因数。 闭合裂隙面上的正应力由式8确定,另式14 中裂隙尖端的切应力取最大拉应力,则有 t D - Cp/ 17 将式8和17代入式16可得 mc t G fs D - Cp/ p - d 0 G 61 f2 s - f s 18 由式18可得 mc mc t G fs D - Cp/ p - d 0 19 令式15同式19相等可得顶煤裂隙发生 I-II 型扩展的下限条件26 p/ GD - fsd0 - B GC - A - fs d min 20 令式13第 2 式等于 0,则参数 ,mc和 / mc 均趋于无穷大,此时 p/ D/ C d221 式21为顶煤微裂隙发生纯 II 型扩展的下限条 件。 顶煤裂隙发生剪切破坏还应满足 maxmc,由 式13第 1 式和式18可得 p/ 1 f2 d 2r0/ c 1 fsfd 1 f2 d fd 2r0/ c f s d max 22 式22为顶煤微裂隙发生纯 II 型扩展的上限条 件。 当顶煤应力场营造的微裂隙远场应力边界条 件 dminp/ d2时,顶煤裂隙发生 I-II 混合型扩展; 当 d2p/ dmax时,顶煤裂隙发生纯 II 型扩展。 参数 p/ 1 3 / 1 - 3,其值随着最大主应力的增 大而减小,随着最小主应力的增大而升高。 该现象可 解释三轴卸围压和常规三轴实验中煤样不同破坏形 式,卸围压实验中,裂隙发生 I-II 型扩展,煤样发生 拉剪混合破坏图 5b;三轴抗压实验中,裂隙发 生纯 II 型扩展,煤样表现为单一剪切裂隙破坏形 式图5c。 本文分析均是保持 取优势扩展裂隙 角,式6表明煤中裂隙扩展同样受到主应力方向的 影响。 3 顶煤应力场分布特征的数值分析 顶煤裂隙扩展类型取决于主应力的大小和方向, 为分析顶煤裂隙场发育特征,本节首先确定顶煤采动 0832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期王家臣等综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 应力场分布特征。 由于主应力大小变化和主方向旋 转均可导致裂隙扩展,本节讨论的顶煤应力场包含主 应力大小和主方向两个方面。 3 1 数值模型的建立 以东周窑煤矿某综放工作面为工程背景,采用 FLAC3D 建立 5 个数值模型编号 N1 N5,如图 7 所示。 其中方案 N1 采用 FLAC3D-PFC3D 耦合运 算平台建模图 7a,局部顶煤采用 PFC3D 中的球 体构建,该平台实现顶煤由连续到非连续渐进破坏过 程的耦合模拟,模拟结果可同时得到顶煤采动应力场 和裂隙场。 图 7 数值模型 Fig 7 Numerical models 所有数值模型图 7长、宽和高均为 200,200, 110 m。 该综放工作面顶底板岩层以泥岩、砂质泥岩 和砂岩为主,煤层厚度 8 m,具体参数见文献16。 初始最大主应力为垂直应力,中间和最小主应力分别 为最大主应力的 0 6 和 0 3 倍,初始方向分别同 x 和 y 轴平行。 5 个数值模型中,工作面推进方向同初始 最小地应力方向y 轴之间的夹角分别为 90,60, 45,30和 0。 工作面开挖过程中,为监测顶煤主应力大小和方 向变化特征,布置测面和测线,其中测面同水平面平 行,距煤层底板 8 m,测线位于测面中,在工作面中部 沿推进方向布置。 3 2 主应力大小分布 工作面沿不同方向推进时,测线上顶煤最大和最 小主应力分布如图 8a所示横坐标正值代表煤壁 前方,负值代表煤壁后方最大主应力在工作面前 方 70 m 受到采动影响开始缓慢增大,工作面前方 20 m 急剧升高,在工作面前方 8 m 处达到峰值点,峰 值系数 2 5,之后顶煤发生破坏,承载能力降低,最大 主应力迅速减小至煤体残余强度。 对比不同方案测 线上顶煤最大主应力分布曲线可知5 组模拟数据基 本重合,工作面推进方向对最大主应力的影响较小。 图 8 测线顶煤主应力大小分布 Fig 8 Principal stress distribution along measuring line 顶煤最小主应力同样于工作面前方70 m 处缓慢 增加,工作面前方 20 m 处开始快速升高并在工作面 前方 10 m 处达到峰值,该阶段顶煤最小主应力主要 受到覆岩运动的影响;峰值过后,开挖卸荷效应开始 起主导作用,顶煤最小主应力开始减小,顶煤应力环 境趋于恶劣图 8a。 在工作面煤壁附近,顶煤最 小主应力降至 0 水平,之后受到控顶区顶煤悬臂作用 的影响,顶煤最小主应力开始反向增加,转变为拉应 力图 8b,促使顶煤在架后冒落。 峰值点前方顶 煤最小主应力增长速度受到工作面推进方向的影响, 随着工作面推进方向同最小主应力方向夹角的增加, 最小主应力增长速度放缓。 最小主应力峰值出现位 置超前最大主应力峰值位置 2 m,峰值系数达到 2 7, 峰值过后,顶煤最小主应力变化趋势一致,不再受工 作面推进方向的影响。 测面上顶煤主应力大小空间分布特征如图 9 所 示初始最大主应力为 10 MPa,最小主应力值为 1832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 9 主应力大小分布 Fig 9 Distribution of principal stress magnitude 左图为最大主应力;右图为最小主应力 2832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期王家臣等综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 3 MPa。 煤层采动后,采空区应力迅速降低,该范围 内的覆岩重力向实体煤转移。 覆岩重力传递作用下, 临空侧煤体进入塑性破坏区,承载能力降低,其中分 布的应力水平降低,高应力集中区继续向实体煤内侧 转移,与工作面前方煤体支承压力峰值的端头分布形 式不同,顶煤最大主应力峰值出现在工作面中部。 顶煤最小主应力同样存在明显的集中现象,表明 最小主应力受到开挖卸荷和覆岩运动的双重影响。 同最大主应力相比,最小主应力变化相对缓和,但超 前影响范围增大。 对比 5 个模型中的应力分布可知 随着推进方向的改变,煤层中最大和最小主应力大小 变化不大,最大和最小主应力峰值系数均约等于 2 5,表明推进方向对顶煤主应力大小的影响不明显。 结合图 8 9 可知原岩应力区至散体冒落区,顶煤最 大主应力存在增大和减小两个阶段,最小主应力则经 历增大、减小和反向增大 3 个过程。 3 3 主应力方向分布 工作面推进过程中,测面上顶煤主应力方向的赤 平极射投影如图 10 所示,图中东西方向90 270 为 x 轴方向,南北方向0 180为 y 轴方向,蓝色 箭头为工作面推进方向;数据点颜色代表顶煤弹塑性 状态,蓝色数据点代表顶煤处于弹性状态,靠近原岩 应力区,其他颜色数据点代表顶煤进入塑性屈服状 态,靠近采动影响区;图中虚线圆包围的数据点为工 作面前方破碎顶煤中主应力方向,该区网格密度大, 处于屈服状态顶煤的主应力方向数据点较密集。 采动前 5 个数值模型中初始最大主应力均为垂 直应力,最小主应力为沿 y 轴方向的水平应力。 采动 后最大和最小主应力方向均发生旋转。 最大主应力 在平行于工作面推进方向的垂直平面内向采空区方 向倾斜,偏离初始垂直方向,最小主应力快速向平行 于工作面推进方向的垂直平面内旋转,并偏离初始水 平方向,且同水平面的夹角逐渐增大。 顶煤最大和最 小主应力方向最大旋转量达到 90,最大主应力最终 旋转至同工作面倾向一致的水平轴线方向,最小主应 力在水平面内的旋转量与工作面推进方向同初始最 小地应力方向之间的夹角相等。 顶煤主应力方向在 弹性区开始发生旋转,但弹性区顶煤主应力旋转幅度 较小,说明煤体受采动影响程度低。 塑性破坏区顶煤 主应力旋转幅度增大,说明塑性区煤体受采动影响强 烈。 旋转过程中最小主应力和最大主应力之间的夹 角保持不变,恒等于 90。 将测面划分为 A,B,C,D 四个区域,工作面推进 方向同初始最小主应力方向呈 45夹角时,各测区顶 煤主应力旋转特征如图 11 所示。 采动影响下,A 区 顶煤最大主应力逐渐偏离初始垂直方向,沿北偏东 45方位向采空区旋转,同竖直方向夹角逐渐增大。 A 区主方向偏转受回采巷道的影响,北偏东 45轴线 两侧同样存在最大主应力旋转迹线。 弹塑性交界处, 顶煤最大主应力旋转角度达到 15,进入塑性区,最 大主应力继续旋转,旋转角度可达 40。 煤壁后方顶 煤最大主应力发生反向回旋现象,同竖直方向夹角减 小,最大主应力最终旋转至北偏西 45水平轴线方 向,旋转角度达到 90。 B 区顶煤最大主应力沿南偏 西 45轴线方向逐渐向采空区旋转,最大旋转角度约 为 20。 由于该区网格稀疏,主应力方向数据点较 A 区少,顶煤最大主应力旋转幅度小。 C 区顶煤最大主 应力沿北偏西 45轴线方向逐渐向采空区旋转,最大 旋转角度约为 35。 受回采巷道的影响,C 区临空侧 顶煤最大主应力旋转迹线为弧形。 D 区顶煤最大主 应力旋转轨迹同 C 区关于北偏东 45轴线对称。 工作面推进方向同最小主应力方向夹角为 45 的条件下,采动影响后 A 区顶煤最小主应力逐渐偏 离南北水平轴线方向,旋转轨迹同西侧 60经线一 致。 弹塑性交界处,顶煤最小主应力方向旋转至垂直 于南偏西 45轴线的平面内,同水平面的夹角约为 40。 B 区最小主应力旋转轨迹沿东侧 60经线,弹塑 性交界处旋转至垂直于北偏东 45轴线的平面内,同 水平面之间的夹角约为26。 C 区最小主应力沿不同 经线逐渐向垂直于南偏东 45轴线的平面内旋转,旋 转至该平面后最小主应力方向保持不变,同水平面之 间的夹角约为 60。 D 区顶煤最小主应力旋转特征 同 C 区顶煤关于北偏东 45轴线对称。 工作面推进方向同最小主应力方向夹角 30时, 测线上顶煤主应力旋转轨迹如图 12 所示数据点颜 色代表顶煤同煤壁的水平距离,正为煤壁前方,负为 煤壁后方,d 为距煤壁的距离,m工作面前方顶煤 最大主应力在过北偏东 30轴线的垂直平面内向采 空区旋转,偏离垂直方向,煤壁上方最大主应力旋转 量达到 40,煤壁后方 3 m 范围内顶煤最大主应力继 续在该垂直平面内向采空区旋转,同垂直方向的夹角 达到 50。 煤壁后方 3 5 m 范围内最大主应力发生 反向回旋,回转轨迹偏离过北偏东 30轴线的垂直平 面。 煤壁后方5 6 m 范围内的顶煤最大主应力方向 旋转至南偏东 60的水平轴线方向,平行于工作面倾 向。 推进方向同初始最小地应力方向夹角 30的条 件下,顶煤距煤壁距离大于25 m 时,最小主应力向南 偏东方向旋转,偏离南北水平轴线方向。 距煤壁距离 小于 25 m 时,主应力向南偏西方向旋转。 超前煤壁 3832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 10 测面上主应力方向分布 Fig 10 Principal stress direction distribution on the measuring plane 上图最大主应力方向;下图为最小主应力方向 4832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 9 期王家臣等综放开采顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 图 11 方案 N3 顶煤主应力旋转特征 Fig 11 Principal direction rotation characteristic of top coal in model N3 图 12 方案 N4 测线上主应力方向旋转轨迹 Fig 12 Principal stress direction rotation along measuring line 7 m 处,顶煤最小主应力旋转至垂直于南偏西 30轴 线的平面内,同水平面之间的夹角达到 30,最小主 应力方向在水平面内旋转 30。 之后顶煤最小主应 力在垂直于南偏西 30轴线的平面内继续向采空区 旋转,煤壁后方 3 m 处同水平面之间夹角达到 50。 煤壁后方3 6 m 范围内最小主应力方向在垂直于南 偏西 30轴线的平面内反向回旋,最大回转量可达 30,最小主应力方向同水平面夹角减小。 3 4 顶煤应力路径 结合图 8 12 可知采动影响下,顶煤主应力大 小和方向均发生变化。 顶煤由位置 A 到 F 经历的应 力路径如图 13 所示。 工作面向 ON 方向推进,A 点 5832 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 顶煤未受采动影响,最大主应力平行于 z 轴,中间主 应力和最小主应力分别平行于 x 和 y 轴;采动影响 后,B 点顶煤主应力增大,最大和最小主应力在垂直 平面 ONZ 内向采空区旋转,两者旋转角度一致,同时 最小主应力在水平面 OXY 内向推进方向 ON 旋转;C 点顶煤最小主应力首先达到峰值,主应力旋转幅度明 显增大;D 点顶煤最大主应力达到峰值,最小主应力 受开挖卸荷影响开始降低,此时,最小主应力在水平 面 OXY 内旋转至工作面推进方向 ON;D 点之后顶煤 主应力在水平面 OXY 内不再发生旋转,在垂直平面 ONZ 内继续向采空区倾斜,由于顶煤破坏,最大主应 力呈现降低趋势E 点;煤壁后方,顶煤最小主应力 转变为拉应力,最小主应力方向在垂直平面 ONZ 内 发生反向回旋现象,最大主应力最终旋转至工作面倾 斜