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第 25 卷 第 6 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.6 2006 年 6 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June2006 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期2004–12–31修回日期修回日期修回日期修回日期2005–05–08 基金项目基金项目基金项目基金项目教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目2004008025 作者简介作者简介作者简介作者简介王金安1958–男1994 年于波兰西里西亚工业大学获博士学位现任教授博士生导师主要从事采矿工程岩土工程工程力学方 面的教学与研究工作E-mailwjarock 综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究 王金安 1 焦申华 1 谢广祥 2 1. 北京科技大学 土木与环境工程学院北京 1000832. 安徽理工大学安徽 合肥 232001 摘要摘要摘要摘要综放工作面开采速率影响着工作面围岩应力重新分布和变形破坏的结果主要归结于1 开采速率的不同 影响围岩应力转移过程的完整程度 2 开采速率的不同造成单位时间开采截深的变化 从而影响了围岩的加卸载 过程以及加载速率的变化3 开采速率的不同对岩石蠕变时间有一定的影响从而影响岩石的变形及应力分布 以谢桥煤矿为工程背景通过数值模拟分析揭示开采速率对工作面围岩应力影响的规律随着综放工作面推进 速度的增加工作面周围应力降低区的面积减小与之对应工作面周围岩体破坏区的范围减小工作面前方峰 值应力向工作面靠近峰值应力变大围岩岩体的变形时间缩短工作面周围岩体的位移减小提出适当提高综 放开采推进速度有利于工作面管理和安全生产 关键词关键词关键词关键词采矿工程综放开采开采速率应力环境 中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号TD 32 文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号文章编号文章编号1000–6915200606–1118–07 STUDY ON INFLUENCE OF MINING RATE ON STRESS ENVIRONMENT IN SURROUNDING ROCK OF MECHANIZED TOP CAVING MINING FACE WANG Jin′an1JIAO Shenhua1XIE Guangxiang2 1. School of Civil and Environment EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing 100083China 2. Anhui University of Science and TechnologyHefeiAnhui 232001China AbstractThe mining rate affects the results of stress distribution deation and failure process in surrounding rocks in mechanized top-caving mining face. The rate effect can be summarized as follows1 the completion of stress transition in surrounding rock under different mining rates2 the variation of loading and unloading rate in process of different cutting depths in unit period of time3 the development of deation and stress distribution in rock due to creep behavior. Based on the mining state in Xieqiao Colliery numerical investigation is carried out to reveal the fact that the reduced stress zone around the mining face decreases with the increase of mining rate. Consequently the failure zone decreases and the peak stress locates nearer the mining face while the stress value increases. Since the deation period becomes shorteras a resultthe displacement reduces. The study points out that appropriately increasing the mining rate of mechanized top caving mining face will benefit the mining face management and safe production. Key wordsmining engineeringmechanized top caving miningmining ratestress environment 第 25 卷 第 6 期 王金安等. 综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究 1119 1 引引引引 言言言言 综放机械化放顶煤开采是提高产量降低采煤 成本提高生产效率实现矿井集约化生产的重要 技术手段但由于综采放顶煤技术一次开采全高 开采强度大工艺过程复杂工作面的推进速度缓 慢致使采空区的冒落运动充分参与到工作面附近 的围岩应力分布的过程使工作面管理难度增加 安全状况恶化工作面冒顶煤壁片帮支架失稳 的事故时有发生这不仅严重威胁着工人的生命安 全影响了企业的效益而且制约了综放技术朝着 更加进步的方向发展[1 3] 理论和实践表明综放工作面的推进速度是影 响工作面围岩应力重新分布的主要因素之一近年 来 国内外学者对此问题采取多种方法进行研究[4 6] 陈 通[4]认为提高工作面推进速度可以有效地延长 工作面周期来压步距减小来压次数可以最大限 度降低来压对安全生产的危害韩卫清[5]认为可以 通过距离反推出推进速度来避免来压与工作面前方 断层等地质构造相遇李德海和高木福[6]采取连续 介质力学的方法探讨了开采速度与地表移动变形的 关系然而在实践中工作面的推进速度影响工作 面围岩应力重新分布的量化关系很难确定如果能 够掌握二者之间比较确定的关系则将有效地预防 工作面冒顶支架失稳等安全事故并为现场选择 合理的推进速度提供有利依据 2 开采速率对围岩力学场的影响开采速率对围岩力学场的影响开采速率对围岩力学场的影响开采速率对围岩力学场的影响 开采速率对围岩的力学场的影响主要体现为 开采速率的不同影响了围岩应力转移过程的完整程 度开采速率的不同造成了单位时间开采截深的变 化从而影响了围岩的加卸载过程以及加载速率的 变化开采速率的不同对岩石蠕变时间也有一定的 影响从而影响了岩石的变形及应力分布 2.1 应力转移过程的完整程度应力转移过程的完整程度应力转移过程的完整程度应力转移过程的完整程度 地下开采势必造成围岩应力的转移和重新分 布力的转移和变形发展需要在一定的时间过程内 完成地下开采围岩力学场本质上是复杂应力空间 的转移和发展过程达到何种程度不同开采速率对 围岩力学场的影响事实上仅反映采空区顶板岩层冒 落运动与应力转移过程中的某一时刻的状态认 识应力的转移过程对研究开采速率对围岩力学场的 影响有直接的意义 2.2 加载速率对岩体的力学特性的影响加载速率对岩体的力学特性的影响加载速率对岩体的力学特性的影响加载速率对岩体的力学特性的影响 影响岩体力学特性的原因主要来自两个方面 其一为岩体的自然状态即岩性岩体结构岩体 的赋存条件以及因施工所引起岩体自然状态的改 变其二为工程作用力的特点地下开采对开采体 是卸载过程反过来也是对周围岩体的加载过程 单位时间内开采截深增加必然导致周围岩体的单位 时间内加卸载活动更加剧烈可以认为对周围岩体 的加载速率增大国内外学者分别利用不同的材料 做过加载速率效应研究研究结果表明加载速率 对强度变形有影响普遍认为随着加载速率的 增大岩石的峰值强度随之增大[7 9]见图 1 图 1 泥岩强度与加载速率之间的关系[7] Fig.1 Relationship between loading rate and strength of mudstone[7] 在静态加载速率范围内加载速率对岩体变形 特性有影响但不如对强度影响那样敏感此外 加载速率对岩体的弹性变形几乎没有什么影响只 有当变形超过弹性范围后才显示出塑性变形的差 异[7]加载速率对岩体力学特性产生影响的原因 实质上是岩体变形特性的时间相关关系的表征将 岩体视为黏弹性体在相同载荷的作用下加载速 率越慢岩体的黏性变形时间就越长岩体的黏性 变形越容易得到充分地发展总的变形量也就越大 将岩体视为黏弹性体这只是总原则对于每一种 岩体其弹性成分和黏性成分的数量比随岩性及物质 成分而异岩体的黏性成分越少岩体变形的时间 效应越不明显对于那些较坚硬的岩石来说在静 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 110 6 110 4 110 2 抗拉强度/MPa 加载速率/mms 1 1120 岩石力学与工程学报 2006 年 态加载范围内其黏性变形不易显现弹性变形起 绝对控制作用这个结论与现场围岩变形监测结果 基本上是一致的 2.3 加载速率对岩体破坏方式的影响加载速率对岩体破坏方式的影响加载速率对岩体破坏方式的影响加载速率对岩体破坏方式的影响 岩体的破坏方式不仅与岩体结构特征有关而 且与加载速率有关 从不同应变速率下的岩体载荷– 位移全过程曲线来看其变形及破坏有如下特征 在高加载速率下岩体变形量小屈服阶段很短 变形速度比弹性阶段快从屈服点到峰值几乎是在 瞬间完成[7]峰值后岩体瞬间爆裂弹射破坏峰值 后的变形破坏过程很难追踪而且没有残余应力 在中等加载速率下弹性变形与前者相同屈服阶 段比前者长变形量也比较大可观察到局部破坏 过程峰值点比前者低峰值后虽然也是突发性爆 裂弹射但弹射程度比前者低峰值后的变形过程 可部分追踪在低应变速率下岩体的弹性变形与 前者基本相同 有明显的屈服阶段 而且屈服点低 峰值点也比前者低很多峰值后的变形过程可全部 追踪 有明显的残余应力 上述结果只是外观现象 实质上是由于岩石是一种黏弹性体这种特殊的材 料对时间的敏感性起决定作用应变速率越慢岩 体的黏性变形越有机会发展消耗的能量也就越多 所积累的弹性变形能就越少由此可以清楚地看出 这种变化规律即岩体弹性变形能积累多少显然与 加载速率有直接关系而弹性变形能积累程度又决 定了岩体破坏时的弹射规模和程度岩体内弹性变 形能积累得越多 岩体破坏时释放的弹性变形能就越 多弹射程度量级自然就越大 综上所述岩体的弹射变形能随加载速率增加 而增大的原因为1 岩体的黏性变形发展程度取 决于加载速率的大小黏性变形能否得到充分地发 挥又直接影响了岩体的脆性程度2 峰值前的变 形随加载速率增加而减小即能量消耗减小3 岩 体的变形模量和强度随加载速率的增加而增大因 而岩体中的弹性能储备也随之增大4 峰值后的 应力降随加载速率增大残余应力变小以至为 0 所以释放弹性能的能力随加载速率的增加而增 强岩体释放弹性能的能力又决定岩体的破坏方 式 2.4 岩体流变影响岩体流变影响岩体流变影响岩体流变影响 岩石蠕变性研究可追溯到 20 世纪 30 年代岩 石蠕变性是岩石的重要力学特性之一[10 17] 很多 岩石工程问题都与岩石蠕变性有密切关系陈宗基 曾指出一个工程的破坏往往是有时间过程的换句 话说是由岩石的流变性控制的加载应力不同造 成流变过程和性质的根本性改变见图 2 图 2 岩石的蠕变行为与载荷关系 Fig.2 Relationship between creep behavior and stress level 通过上述分析可以看出加载速率对岩体力学 特性有明显的影响而且还有一定规律性可循可 以利用这些规律来指导试验研究和生产实践因 此在研究开采速率对围岩力学场的影响时考虑岩 体的加卸载时效作用是十分必要的 3 计算模型与计算方案计算模型与计算方案计算模型与计算方案计算模型与计算方案 3.1 计算模型计算模型计算模型计算模型 以淮南矿业集团谢桥煤矿 11513工作面的具 体地质条件为工程背景建立数值计算模型研究工 作面开采速率对围岩力学场的影响11513工作面 标高 588662 m地面标高为20.425.8 m 该面煤层结构稳定普遍发育二层炭质泥岩或泥岩 夹矸平均煤层厚度为 5.4 m煤层顶底板情况 老顶为粉细砂岩直接顶为泥岩或砂质泥岩直 接底为泥岩老底为粉砂岩[18]见图 3 图 3 计算模型简图 Fig.3 Schematic plot of numerical model 应变 时间 σ1蠕变 tr1 σ2蠕变 σ3蠕变 tr2 σ1σ2σ3 576.35 m 123.67 m 240 m 5.4 m 工作面及支架 煤层 700.02 m 采空区 636.66 m o 第 25 卷 第 6 期 王金安等. 综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究 1121 计算中采用 Mohr-Coulomb 屈服准则判断岩体 的破坏模型中煤的体积模量为833.3 MPa剪切模 量为 384.4 MPa 黏聚力为 1.0 MPa 内摩擦角 34 抗拉强度 0.25 MPa根据岩石力学试验结果煤岩 体破坏后随变形发展残余强度逐步降低的性质见 图 4本计算采用应变软化模型即当煤岩达到峰 值强度后煤岩的残余强度黏聚力内摩擦角 和剪胀角随着峰后应变值的增加而降低见表 1 图 4 岩石莫尔–库仑模型与应变软化模型 Fig.4 Mohr-coulomb model and strain softening model 表 1 煤岩峰后残余强度变化值 Table 1 Variation of residual strength of coal 峰后应变 黏聚力/MPa 内摩擦角/ 剪胀角/ 0.000 0 1.0 34 7 0.001 5 0.7 31 6 0.005 0 0.5 29 5 0.014 0 0.3 27 4 3.2 计算方法计算方法计算方法计算方法 本 研 究 应 用 二 维 FLAC2Dfast Lagrangian analysis of continua连续介质有限差分程序进行计 算分析FLAC 程序建立在显示拉格朗日算法基础 上是为岩土工程应用而开发的主要适用模拟计 算岩土类工程地质材料的力学行为FLAC 程序可 在每个时步通过更新结点坐标的方式将位移增量 加到结点坐标上以材料网格的移动和变形模拟大 变形和扭曲程序设有多种材料本构模型允许输 入多种材料类型亦可在计算过程中改变某个局部 的材料参数增强了程序使用的灵活性极大地方 便了开采过程在计算上的处理 FLAC 采用显式算法来获得模型全部运动方程 包括内变量的时间步长解从而可以追踪材料的 渐进破坏过程这对研究开采速率响应是非常重要 的图 5 所示为有限差分计算流程图计算过程首 先调用运动方程由初始应力和边界力计算出新的 速度和位移然后由速度计算出应变率进而获 得新的应力或力每个循环为一个时步图 5 中的 每个图框是通过那些固定的已知值从已计算出的 一组速度计算出每个单元的新的应力如果应力 发生某些变化将对相邻单元产生影响并使它们的 速度发生改变如果选取的时步非常小乃至在此 时步间隔内实际信息不能从一个单元传递到另一个 单元事实上 所有材料都有传播信息的某种最大速 度因为每个循环只占一个时步对冻结速度 的假设得到验证相邻单元在计算过程中的确互 不影响当然经过几个循环后扰动可能传播到 若干单元正如现实中产生的传播一样 图 5 有限差分计算流程图 Fig.5 Flowchart of finite difference 对于非线性材料物理不稳定的可能性总是存 在的例如煤柱或岩体的突然失效和垮塌在现 实中系统的某些应变能转变为动能并从力源向周 围扩散有限差分方法可以直接模拟这个过程因 为在有限差分公式中包含有动力方程在其中包括 惯性项动能产生与耗散这样可以保证在被 模拟的物理系统本身是非稳定的情况下有限差分数 值计算仍有稳定解 在准静力学有限差分迭代过程中受扰动区域 的应力不平衡力不断调整与现实中的应力转移 十分类似尽管它们经历的数学和力学过程与机械 时间无关鉴于工作面推进速度引起的时间效应造 成围岩应力转移过程与数值计算过程中迭代步数的 长短有关因此本研究采用不同的迭代步数来间接 模拟围岩的应力转移过程 3.3 方案设计方案设计方案设计方案设计 考虑到提高开采速率主要体现为应力转移不 充分的情况下继续开采以及单位时间开采截深的 ε σ1σ3 Mohr-Coulomb 准则 与应变软化 平衡方程 运动方程 应力–应变关系 本构方程 新的应力 或力 新的速度 和位移 o 1122 岩石力学与工程学报 2006 年 增加一方面可依据计算时步的长短模拟开采后 应力转移过程从而反应开采速率的影响见表 2 另一方面可通过相同时步内不同开采步距的大小 模拟单位时间内开采截深的影响见表 3 表 2 研究围岩应力转移过程的方案 Table 2 Numerical scheme of stress transition process in rock mass 方案号 开采长 度/m 开挖步数 单位时间开采 截深/m 一次开采 计算步数 计算总 步数 1 20 10 2 50 500 2 20 10 2 100 1 000 3 20 10 2 200 2 000 4 20 10 2 500 5 000 5 20 10 2 1 000 10 000 6 20 10 2 2 000 20 000 表 3 研究单位开采截深对围岩应力分布影响的方案 Table 3 Numerical scheme of mining depth effect in an unit period on stress distribution 方案号 开采长 度/m 开挖步数 单位时间开采 截深/m 一次开采计 算步数 计算总 步数 A 20 20 1 2 000 40 000 B 20 10 2 2 000 20 000 C 20 5 4 2 000 8 000 D 20 2 10 2 000 4 000 4 数值模拟结果分析数值模拟结果分析数值模拟结果分析数值模拟结果分析 根据前面设计的计算方案通过对计算结果进 行了详细的比较分析结论归纳如下 1 开采扰动引起围岩应力重新分布在工作 面前方出现高应力集中区随着应力的转移峰值 应力增大峰值应力出现的位置前移在工作面上 方出现低应力区随着应力的转移低应力区范围 增大最后趋于一个拱状见图 6在工作面前方和 上方形成一个高应力带随着应力的转移这个高应 力带前移并由带状变为拱状最后趋于盾状 2 在工作面前方和上方引起围岩破坏随着 应力的转移在工作面前方破坏范围明显增大在 工作面上方也同样增大塑性区的形状也由带状 变为拱状最后趋于盾状见图 7工作面周边围岩 移动随着应力的转移工作面前方顶板位移增 加位移峰值由冒落带转移到工作面前方工作面 底板反拱有少量增加工作面后方底板则表现先增 加后降低 a 应力转移不充分方案 1 b 应力转移充分方案 5 图 6 应力转移过程的围岩主应力矢量场比较 Fig.6 Comparison of transition of principal stress vector field in rock mass a 应力转移不充分方案 1 b 应力转移充分方案 5 图 7 应力转移过程的破坏场比较 Fig.7 Comparison of yield field in stress transition process 第 25 卷 第 6 期 王金安等. 综放工作面开采速率对围岩应力环境影响的研究 1123 3 研究表明开采扰动引起应力的重新分布 在工作面前方形成峰值应力区在工作面附近形成 低应力区见图 8随着综放开采工作面推进速度的 增加低应力区的面积减小与低应力区对应工 作面周围岩体破坏区的范围减小工作面前方峰值 应力向工作面靠近峰值应力变大围岩岩体的变 形时间缩短工作面周围岩体的位移减小 图 8 工作面前方煤内垂直应力曲线 Fig.8 Vertical stress in coal seam in front of mining face 4 在工作面前方和上方引起围岩破坏并在 工作面前方形成一条线状破坏带随着固定时步内 开采截深的增加这条线状破坏带向工作面靠近 导致工作面周围岩体破坏范围减小引起工作面周 边围岩移动随着固定时步内开采截深的增加周 围岩体的位移量减小见图 9 图 9 工作面前方煤内水平位移 Fig.9 Horizontal displacements in coal seam in front of mining face 现场观测到综放面前方 20 m 以内在工作面 推进速度不大的情况下尽管围岩应力不高回采 巷道变形速率急剧增大反映出巷道围岩峰后加速 蠕变的又一个显著特点值得深入研究[18]由此可 见现场生产实践中应当尽量提高推进速度这对 节约生产成本保证生产安全都有一定意义然而 必须认识到在工作面前方高应力区的存在这个高 应力区随着推进速度的增加向工作面靠近岩体中 高应力区体现为岩体积累了大量的弹性能过高的 弹性能聚集可能在井下诱发岩爆产生因此现实 生产中在尽量提高推进速度的同时还应当对地下 岩石的力学特性进行必要的试验研究 5 结结结结 语语语语 综放工作面的推进速度是影响工作面围岩应力 重新分布的主要因素之一它从根本上决定了围岩 的破坏程度以及开采成本为确保安全生产和生产 效益最大化在开采前提出合适的推进速度是现 代煤矿生产对理论研究者们提出的一个新的要求 本文通过数值模拟研究了综放开采工作面推进 速度对围岩应力环境的影响定性提出了适当提高 综放开采推进速度有利于工作面管理和安全生产的 诸多理由研究成果在淮南矿业集团谢桥煤矿的生 产过程中得到了实际验证然而影响现场安全生 产的因素还有施工组织回采工艺设备运转可靠 性通风系统以及生产工人的熟练程度等等切实 结合这些因素来综合考虑和确定推进速度与安全生 产和生产效益最大化之间的关系将能够合理地提 出一个适当的推进速度这无疑将是综放开采技术 的一个重大进步 参考文献参考文献参考文献参考文献References [1] 吴 键. 我国综放开采技术 15 年回顾[J]. 中国煤炭 1999 251 9–16.Wu Jian. 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