采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应.pdf

第 3 3卷第 1 O期 2 0 0 8 年 1 0月 煤 炭 学 报 J 0 URNA L OF CHI NA C OAL S OC I E T Y V0l _ 3 3 0c t ． No． 1 0 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 1 01 0 9 2 0 5 采动裂 隙分布及 其演化特征 的采厚效应 杨 科， 谢广祥 安徽理工大学 煤矿安全高效开采教育 部重点实验室 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要基于长壁工作面非对称布置特点，以谢桥矿 1 1 5 1 3 综放工作面地质和开采条件为背 景 ，采用实验 室相似材料模拟、计算机数值模拟及理论分析综合方法，研究不 同采厚采动裂 隙分 布及其演化的特征．研 究表明，不同采厚覆岩垮落角变化不大，随工作 面推进覆岩采动裂隙表现 为 “n” 型高帽状、前低后 高驼峰状、前后基本持 平驼峰 状、前 高后低的驼峰 状 4阶段 演化特 征 ，采动裂隙发育高度呈梯级跃升并逐渐趋 于稳定 ，工作面围岩采动裂隙发育具有非对称性 ，工 作面上部塑性区范围大于工作面中、下部；采动裂隙发育高度 、工作面前方塑性区宽度、走向工 作 面后方围岩塑性区边界与采空区方向的夹角和倾 向下山方向围岩塑性 区边界与煤层 夹角与一次 采厚呈非线性正比，采动裂隙发 育高度与一次采厚的比值和走 向工作面前方围岩塑性区边界与推 进方向的夹角与一次采厚成非线性反 比，整体揭示了一次采厚 变化对采动裂隙分布及其演化特征 影响的采厚效应． 关键词采动裂隙；演化特征 ；采厚效应；综放开采 ；非对称布置 中图分类号 T D 8 2 3 ． 9 7 文献标识码 A Ca v i ng t h i c kn e s s e f f e c t s o n d i s t r i b ut i o n a nd e v o l u t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f mi ni n g i n du c e d f r a c t ur e YANG Ke， XI E Gu a n g x i a ng K e y L a b o r a t o r y o f C o a l Mi n e S a f e t y a n d E f fic i e n t l y C a v i n g o f Mi n i s t r y of E d u c a t i o n ，A n h u i U n iv e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o e x p l o r e t h e i n fl u e n c e o f m i n i n g t h i c k n e s s o n t h e m i n i n g i n d u c e d f r a c t u r e MI F d i s t ri b u t i o n a nd e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f r o c k s u r r o un d i ng t he f u l l y me c ha n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e， b a s e d o n t he u ns y m me t r i c a l d i s p o s a l l o n g wa l l f a c e ， t h e a n a l y s e s o f ma t e r i a l a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n we r e s y n t h e t i c a l l y a p p l i e d a c c o r d i n g t o t h e g e o l o g i c a l a n d t e c h n i c a l c o n d i t i o n s o f t h e N o ． 1 1 5 1 3 w o r k i n g f a c e i n X i e q i a o Mi n e ．T h e r e s u l t s s ho w t h a t wi t h di f f e r e n t mi n i ng t h i c k n e s s e s，t h e f r a c t u r e d a ng l e s o f o v e r l y i n g s t r a t a a r e b a s i c a l l y e qu a b l e a n d t he e v o l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f o v e r l y i ng s t r a t a MI F a r e f o u r p ha s e s i nc l u d e s t h e s i mi l a r“n ” c o n f i g u r a t i o n．t h e f r o n t a g e l o w a n d r e a r hi g h h u mp c o nfi g u r a t i o n，t h e a c c o r d a n t h u mp c o n f i g u r a t i o n a n d t he f r o n t a g e h i g h a n d r e a r l o w h ump c o n f i g u r a t i o n，a n d t h e MI F h e i g h t s a r e g r a d u a l l y s t e p i n c r e a s e d u r i n g c a v i n g ．An d t h e MI F o f r o c k s u r r o u n d i n g f a c e s i s un s y mme t ric a l a n d t he p l a s t i c e x t e n t o f t o p f a c e i S mo r e e x t e n s i v e t h a n t h e mi d d l e a nd b o t t o m f a c e ． W i t h t h e o n c e mi n i n g t h i c k n e s s i n c r e a s e，t h e d e v e l o p me n t h e i g h t o f MI F，t h e p l a s t i c e x t e n t w i d t h o f f a c e f r o n t a g e ，t h e a n g l e b e t we e n t h e p l a s t i c b o u n d a r y l i n e o f f a c e f r o n t a g e a n d t h e c a v i n g o ri e n t a t i o n o n t h e s t ri k e a n d t h e a n g l e b e 一 收稿 日期 2 0 0 8 0 5 1 6 责任编辑 柴海涛 基金项 目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 基金资助项 目 2 0 0 5 c b 2 2 1 5 0 3 ；国家 自然科学基金资助项目 5 0 6 7 4 0 0 3 ；安徽省优 秀青 年基金资助项 目 0 8 0 4 0 1 0 6 8 3 9 作者简介 杨科 1 9 7 9 一 ， 男，四川叙永人，博士，讲师．T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 7 3 6 ，E m a i l k e y a n g a u s t ． e d a ． c n 第 1 0期 杨科等 采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应 t we e n t h e p l a s t i c b o u n d a r y l i n e o f f a c e d i p a nd c o a l s e a m t o t h e d i p a r e n o nl i n e a r d i r e c t r a t i o t o o nc e mi n i n g t h i c k n e s s，b ut t h e r a t i o o f MI F h e i g h t a n d o nc e mi n i n g t h i c k n e s s a nd t h e a n g l e b e t we e n t he pl a s t i c bo u n da ry l i n e o f f a c e r e a r a n d t h e g o a f o r i e n t a t i o n o n t h e s t rike a r e n o n l i n e a r i n v e r s e r a t i o t o o n c e mi n i n g t h i c k n e s s ．Th e mi n i n g t hi c k n e s s e f f e c t s o n t h e d i s t r i b u t i o n a n d e v o l u t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f MI F w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s mi n i n g i n d u c e d f r a c t u r e；e v o l v i n g c h a r a c t e ris t i c ；mi n i n g t h i c k n e s s e f f e c t ；f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g； u n s y mme t ric a l d i s p o s a l 多年来，国内外学者采用多种方法对地下开采采动裂隙发育、形态特征及煤岩体裂隙场分布进行了大 量的试验及理论分析 ，取得 了一些成果 ，指导了煤矿安全高效开采 。 。 ． 由于地下开采采动裂隙演化的复杂性和多样性，加之综放和大采高开采随一次采厚的增加，围岩扰动 范围增大 ，势必影 响到采动裂隙分布及其演化过程 ，进 而影 响到厚煤层的安全高效开采．本文以谢桥矿 1 1 5 1 3 工作面地质及技术条件为背景 ，研究一次采厚变化对采空区覆岩及工作面围岩采动裂 隙分布及 演化 的影 响，开展相似材料模拟分析 其中一次采厚为 3，5 ． 4和 8 m 、数值模拟分析 其 中一次采厚为 3 ，5 ． 4 ，8和 1 2 m及理论分析 ，模拟方案参见文献 [ 1 2 ] ． 1 工作面地质及开采条件 谢桥矿 1 1 5 1 3 综放工作面开采 1 3 一 煤 ，走 向长 1 6 7 4 m，倾 向长 2 3 1 ． 8 m，地面标高为 2 0 ． 4～ 2 5 ． 8 m，工作面标高为 一 5 8 8～一6 6 2 m．该工作面煤层结构稳定 ，煤厚平均为 5 ． 4 m，倾角平均为 1 3 。 ， 采放 比为 1 1 ． O 0～1 ． 0 8 ． 直接顶为泥岩或砂质泥岩和 1 3 一 煤 ，厚约 3 ． 2 6 m；老顶为粉、细砂岩 ，厚约 6 ． 2 i n ；直接底为泥岩 ， 厚约 1 ． 5 m；老底为粉砂岩 ，厚约 2 ． 8 m．该工作面风巷布置在上 区段采空 区 1 1 4 1 3 侧 ，护巷煤柱 宽 5 m，上、下平巷均采用锚网索支护． 2 不 同采厚 覆岩 采动裂隙分布及演化特征分析 2 ． 1 不同采厚覆岩采动裂隙分布及演化特征 相似材料模拟结果表明，随一次采厚和工作面推进距离的增大 ，采动裂隙发育 的范围扩大 ，发育高度 增加 ，不 同采厚采动裂隙发育高度均呈梯级跃升发育 图 1 ，2 ． 3 123 ， 一- 。 。 鑫 魏 }々 - ； 一■ 图 1 不I司采厚工作面推进2 0 0 m采动裂隙演化过程及形态特征 Fi g ．1 Ev o l ut i on s a nd c o n fig ur a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f MI F i n c a v i n g 2 0 0 1 1 3 wi t h d i f f e r e n t mi n i ng t h i c k ne s s e s 分析可得，一次采厚 3 ，5 ． 4 ，8 m的竖向破断裂隙分别在距煤层顶板 5 5 ，7 0 ，9 0 m左右高度以下有 明显发展 ，其上以离层裂隙为主． 由不同采厚工作面推进不同距离覆岩采动裂隙演化 曲线 图 3 分析可得 ，不 同采厚采动裂隙分布及 其发育表现为 “ n”型高帽状 推进 8 0 m 、前低后高驼峰状 推进 1 2 0 m 、前后基本持平驼峰状 推 进 1 5 2 m 、前高后低的驼峰状 推进 2 0 0 m4阶段演化特征． 随一次采厚增大 ，采空区覆岩采动裂隙条数增多 ，采动裂隙演化步距相对增加 ，如采厚为 8 m工作面 1 0 9 4 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 曼 ＼ 幄 鳗 错 ∈ 图2 不同采厚采动裂隙发育高度与 工作面推进距离的关系曲线 F i g ． 2 Re l a t i o n e u l we s o ft h e MI F h e i g h t s a n d t h e c a v i n g d i s t a n c e wi t h d i f f e r e n t mi n i n g t h i c k n e s s e s 工 作面推进距离 ／ m a 推进 8 0 m和 1 2 0 m时，采动裂隙分布曲线均为 “ n” 型高帽状． 2 ． 2 不 同采厚覆岩采动裂隙发育高度与采厚的关系 随一次采厚增加 ，覆岩采动裂隙发育高度增大， 当采厚趋于一定时，增加幅度减小；切眼位置的覆岩 垮落角 后垮落角逐渐增大并趋 于一定值 ，而工作 面位置覆岩垮落角 前垮落角则基本不变，即采厚 对上覆岩层 的移动破坏形态并没有直 接的影 响 表 1 和图 4 a ． 分析可得，采动裂隙发育高度与一次采厚呈非线 性正 比，裂采 比与一次采 厚呈非线性反 比 式 1 ， 2 ． 工作面推进距离 ／ m b 表 1 不 同采厚覆岩 采动 裂隙分布 及演化特征 Ta b l e 1 Th e M 环d i s t r i b u ti o n a n d e v o l u tio n c h a r a c t e r ． i s t i c s o f o v e r l y i n g s t r a t a、 v i t h d i ffe r e n t mi n i n g t h i c k n e s s e s ，h 一 2 ． 5 51 3 』 l 3 7 ． 2 6 4M 3 ．1 6 9 2，R。 l ， F 0． 0 2 4 5 一2． 9 5 2 3 M 3 9． 3 0 4 0，R 1， 式 中，R 为相关系数 ，其余参数 同前． 1 2 第 1 0期 杨科等采动裂隙分布及其演化特征的采厚效应 3 不 同采厚 工作面 围岩采动裂 隙分 布及 演化特征分析 数值模拟结果表明，随一次采厚增加，工作面围岩采动裂隙发育范围越大，沿走向煤壁前方塑性区宽 度增大，且同一采厚工作面上部塑性区宽度大于工作面中部，裂隙呈非对称发育；沿走向工作面前方围岩 塑性区边界与推进方 向的夹角 前塑性破坏角减小并趋 于恒定 ，而后方围岩塑性区边界与采 空区方 向 的夹角 后塑性破坏角增大并趋于恒定 ；沿倾 向下山方 向围岩塑性 区边界与煤层夹角 下山塑性破坏 角 增大并趋于恒定 表 2和图4 b ． 图4 ， ，0 ，0 ，0 ，L 和 ，与 的关系曲线 Fi g ． 4 Re l a t i o n C H I v e s o fFh ， ，0 f ，0 ， 0 d， L t ， L wi t h M 表 2不同采厚工作面 围岩采动裂 隙分布及演化特征 Ta bl e 2 The M l F d i s t r i but i o n a nd e vo l ut i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f s u rr ou ndi ng r o c k wi t h diffe r e nt mi ni n g t hi c kne s s e s 分析可得 ，工作面塑性区宽度 ， J ， 、后塑性破坏角 0 、下山塑性破坏角 0 与一次采厚呈 非线性正比 式 3 ～ 6 ，前塑性破坏角 0 与一次采厚呈非线性反 比 式 7 ，即 L 一 0 ．1 2 9 2 M 2 4 ．9 6 2 4 M 一3 ． 5 3 2 6， R 0 ． 9 9 8 9， f 3 0 ．1 0 5 9 M 2 1 ．6 2 5 3 M 一1 ． 8 0 4 6，R 0 ． 9 7 5 5， 4 0 一0． 0 6 9 4 M 2 1 ．6 6 7 8 M 5 2 ． 1 7 8 0，R 0 ． 8 8 2 9， f 5 0 d 一0． 27 4 7 M 2 6 ．0 7 8 4 4 0 ． 4 9 9 0， R 0 ． 9 9 5 4， 6 0 f 0． 4 5 2 7 M 2 8 ．7 6 3 8 M 9 6 ． 3 6 3 0，R 0 ． 9 6 1 4 ． 7 4 结 论 1 不同采厚采空区覆岩采动裂隙发育形态和演化规律相似，演化分为 “ n”型高帽状 前低后高 驼峰状 、前后基本持平驼峰状 、前高后低的驼峰状 4阶段． 2 不同采厚覆岩垮落角基本不变 ，工作面的非对称布置开采导致工作面围岩采动裂 隙发育形态表 现为非对称性 ，围岩塑性区范围工作面上部大于工作面中、下部． 3 随一次采厚增加 ，覆岩采动裂 隙发育范围及工作面围岩塑性区宽度增大 ，覆岩离层值增加 ，裂 隙条数增多 ，采动裂隙演化步距加大． 1 0 9 6 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 4 采动裂隙发育高度、工作面前方塑性区宽度 、前塑性破坏角和下 山塑性破坏角与一次采厚呈非 线性正比，裂采 比、后塑性破坏角与一次采厚成非线性反 比． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] 刘天泉．矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 5 ，2 0 1 1 5 ． L i u T i a n q u a n ．I n fl u e n c e o f m i n i n g a c t i v i t i e s o n mi n e r o c k ma s s a n d c o n t r o l e n g i n e e r i n g[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 1 9 9 5 ， 2 0 1 1 5 ． 钱呜高，许家林．覆岩采动裂隙分布的 “ 0 ”形圈特征研究 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 5 4 6 6 4 6 9 ． Q i a n M i n g g a o ， X u J i a l i n ．S t u d y o n t h e 0 s h a p e c i r c l e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f mi n i n g i n d u c e d f r a c t u r e s i n t h e o v e r l a y i n g s t r a t a『 J ] ．J o u r n a l o f C h i n a C o al S o c i e t y ， 1 9 9 8 ， 2 3 5 4 6 6～ 4 6 9 ． 许家林，钱鸣高，高红新． 采动裂隙实验结果的量化方法 [ J ] ．辽宁工程技术大学学报，1 9 9 8 ，1 7 6 5 8 65 8 9 ． X u J i a l i n ， Q i a n M i n g g a o ，G a o H o n g x i n ．S t u d y o n t h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s me t h o d f o r t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s o f t h e m i n i n g i n d u e e d fr a c t u r e[ J ] ．J o u r n a l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ，1 9 9 8 ，1 7 6 5 8 6 5 8 9 ． 许家林，钱鸣高．岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4，3 3 2 1 4 11 4 5 ． X u J i a l i n ， Q i a n M i n g g a o ． S t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f mi n i n g i n d u c e d fr a c t u r e d i s t r i b u t i o n i n g r e e n inn i n g[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ，3 3 2 1 4 1 1 4 5 ． 谢和平，于广明，杨伦，等．采动岩体分形裂隙网络研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 9 ，1 8 2 1 4 71 5 1 ． X i e He p i n g ， Y u G u a n g m i n g ， Y a n g L u n ， e t a1 ．R e s e a r c h o n t h e f r a c t a l e f f e c t s o f c r a e k n e t w o r k i n o v e r b u r d e n r o c k s t r a t u m [ J ] ． C h i n e s e J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 8 2 1 4 71 5 1 ． 于广明，谢和平，周宏伟，等．结构化岩体采动裂隙分布规律与分形性实验研究 [ J ] ．实验力学，1 9 9 8 ，1 3 2 1 4 51 5 4． Yu Gu a n g mi n g ，Xi e He p i n g ，Z h o u Ho n g we i ，e t a1．D i s t ri b u t i o n l a w o f c r a c k s i n s t r u c t u r e d r o c k ma s s a n d i t s e x p e rime n t a l i n v e s t i g a t i o n[ J ] ．J o u r n al o f E x p e ri me n t a l Me c h a n i c s ，1 9 9 8 ，1 3 2 1 4 51 5 4 ． 张向东，徐峥嵘，苏仲杰，等．采动岩体分形裂隙网络计算机模拟研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 6 8 0 98 1 2． Z h a n g Xi a n g d o n g ，Xu Z h e n g r o n g，S u Z h o n g j i e， e t a 1 ．Re s e a r c h o f t h e i mi t a t i o n a b o u t t h e f r a c t a l c r a c k i n o v e r b u r d e n r o c k s t r a ． t u rn b y c o m p u t e r[ J j ．C h i n e s e J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n n e e fi n g ， 2 0 0 1 ， 2 0 6 8 0 98 1 2 ． 邓喀中，周鸣，谭志祥，等．采动岩体破裂规律的试验研究 [ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 ，2 7 3 2 6 1 26 4． D e n g K a z h o n g ， Z h o u Mi n g ， T a n Z h i x i a n g ， e t a 1 ． S t u d y O i l l a w s o f r o e k ma s s b r e a k i n g i n d u c e d b y m i n i n g[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o gy， 1 9 9 8 ， 2 7 3 2 6 1 2 6 4 ． 王悦汉 ，邓喀中，吴侃 ，等．采动岩体动态力学模型 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 3 3 5 23 5 7 ． Wa n g Yu e h a n，De n g Ka z h o n g ，Wu Ka n，e t a 1 ．On t h e d y n a mi c me c h a n i c s mo d e l o f mi n i n g s u b s i d e n c e『 J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 2 2 3 3 5 2 3 5 7 ， 张永波，靳钟铭，刘秀英．采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 4，2 3 2 0 3 42 63 4 2 9． Z h a n g Y o n g b o ， J i n Z h o n g m i n g ，L i u X i u y i n g ． T e s t i n g s t u d y o n f r a c t a l c o r r e l a t i o n l a w o f c r a c k s i n m i n e d r o c k ma s s『 J ] ．C h i I l e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 2 3 2 0 3 4 2 6 3 4 2 9 ． 涂敏．潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 4，2 9 6 6 4 1 6 4 5 ． T u Mi n ．S t u d y o n t h e g r o w t h h e i g h t o f s e p a r a t i o n fr a c t u r e o f m i n i n g r o c k i n P a n x i e a r e a[ J ] ．J o u r n al o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 4 ， 2 9 6 6 4 1 6 4 5 ． 谢广祥．综放面及其巷道围岩三维力学场特征研究 [ D] ．北京 中国矿业大学 北京 ，2 0 0 4 3 23 4 ，1 3 4 1 3 8 ． Xi e G u a n g x i a n g ．S t u d y o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h r e e d i me n s i o n a l me c h a n i c al f i e l d s o f f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e a n d r o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c k[ D ] ．B e i j i n g C h i n a U n i v m i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，2 0 0 4 3 2 3 4 ，1 3 41 3 8 ．