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世爪主杜
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1 第 39 卷增刊年煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY 5月 Vol. 39 May Supp 王新丰,高明中. 不规则采场应力分布特征的面长效应[ J]. 煤炭学报,2014,39( S1) : doi: / j. cnki. jccs Wang Xinfeng,Gao Mingzhong. Slope length effect of stress distribution characteristics of irregular stope[ J]. Journal of China Coal Society, 2014,39( S1) : doi: / j. cnki. jccs 不规则采场应力分布特征的面长效应王新丰1,2,高明中1,2 (1. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室,安徽淮南 ;2. 安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南 ) 摘要:为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用 FLAC3D 软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到见方期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后 20 ~ 30 m 的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势工程实例验证了结论的可靠性关键词:采场覆岩;应力分布特征;面长效应;顶板控制中图分类号:TD323 文献标志码:A 文章编号: (2014) S Slope length effect of stress distribution characteristics of irregular stope WANG Xin-feng1,2,GAO Ming-zhong1,2 (1. Key Laboratory of Coal Mine Safety and High-efficiency Mining Cosponsored by Anhui Province and Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan ,China;2. Energy Sources and Safety School,Anhui University of Science and Technology,Huainan ,China) Abstract:In order to study the relationship between overburden rock destruction and the ahead of stress in the process of coal seam mining,under the conditions of different slope length working face abutment pressure and horizontal pres- sure distribution characteristics and evolutionary process were simulated using the software FLAC3D. In addition,the law between mechanical effects of unequal length face and rock movement was analyzed theoretically. The results show that the length of face advance directly affects the stope front of the stress distribution,when working face advances the same distance as slope length or an integer multiple of the position of slope length,the stress increases rapidly;overburden rock deformation and failure are the results of abutment pressure and horizontal pressure;in the process of ir- regular working face advancing,within the range of 20 to 30 meters of docking face stress concentrates deucedly,the stress changes largely;in the aspects of roof management and surrounding rock control effect of working face,formal face is much better than different length of working face. Engineering examples demonstrate the reliability of the conclusions. Key words:rock strata;stress distribution characteristics;slope length effect;roof control 采场覆岩的矿压显现特征及岩层移动的时空演矿安全开采,实现企业高产高效意义重大近年来, 化规律研究是煤矿领域的重要基础性课题,对确保煤随着矿井开采深度的增加,地质条件恶化,开采难度收稿日期: 责任编辑:王婉洁基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( ) 作者简介:王新丰(1988 ),男,安徽亳州人,博士研究生 wangxinfeng110@ 126. com

2 44 煤炭学报 2014 年第 39 卷加大, 不规则工作面的煤层开采现象增多因此, 不规则采场煤层开采过程中覆岩变形与破坏规律的研究变得愈加迫切我国学者针对正规工作面的覆岩破坏及岩层运移规律做了大量工作 [1-7], 有关顶板压力与覆岩运动冲击地压巷道稳定底板透水以及煤与瓦斯突出等问题的研究成果不断丰富, 经过多年的现场测试和实践检验最终得以认证对于不规则采场的矿压理论研究 [8-12], 广大科研工作者和矿业工程技术人员围绕不规则工作面的覆岩结构和支承压力的分布演化规律做了相应的定性分析, 但仍缺乏定量指标对工程实践提供强有力的指导, 不同面长条件下采场顶板支承压力与水平应力的分布特征和岩层移动的关系没有进行系统研究本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法对不同面长条件下的采场受力进行研究, 对正规工作面 ( 等长工作面 ) 正刀把式工作面 ( 工作面斜长由小变大 ) 和反刀把式工作面 ( 工作面斜长由大变小 )3 种面长情况下的采场力学效应做对比分析, 探讨工作面前方支承压力与水平应力的动态演化过程及分布规律, 为工程应用提供借鉴和指导 1 数值模拟模型与计算参数 1. 1 数值计算模型笔者采用美国 Itasca 公司开发的三维有限插分拉格朗日分析计算程序 FLAC 3D 它能较好地模拟三维岩体达到强度极限或屈服极限时发生失稳与破坏的力学行为, 有效解决了材料的塑形流动屈服破坏硬化软化及大变形问题 [13-14] 本次建模以淮南矿区某工作面的现场参数为设计依据, 模拟水平煤层的开采问题模型的网格划分较大, 共划分个网格, 模型尺寸为 800 m 500 m 160 m 模型四侧和底部均为位移边界, 顶部考虑采场覆岩自重的同时施加 8. 0 MPa 的均布载荷工作面斜长分 3 种情况沿走向推进, 两边各留 100 m 的保护煤柱正规工作面的斜长一直保持 240 m, 实行等长推进 ; 正刀把式工作面的斜长由 120 m 逐渐过渡到 240 m, 其中 120 m 工作面走向长按 280 m 布置, 240 m 的衔接面按 320 m 布置, 实行斜长由小变大的推进 ; 反刀把式工作面的斜长由 240 m 逐渐过渡到 120 m, 其中 240 m 工作面走向长按 280 m 布置, 120 m 的衔接面按 320 m 布置, 实行斜长由大变小的推进计算模型如图 1 所示 1. 2 计算参数与破坏准则根据岩石的物理力学特征模型从上至下共分 8 层如图 1(a) 所示数值模拟岩石力学的具体参数见表 1 数值模拟采用摩尔 - 库仑屈服准则来判断岩石的破坏, 能够比较全面的反映岩石的强度特性其表达式为图 1 计算模型 ( 单位 :m) Fig. 1 Computational model( unit:m)

3 增刊 1 王新丰等 : 不规则采场应力分布特征的面长效应 45 Table 1 表 1 岩石力学参数 Rock mechanics parameters 岩层岩石厚度密度 / 剪切模体积模黏聚力 / 内摩擦抗拉强序号名称 h / m (kg m -3 ) 量 / GPa 量 / GPa MPa 角 φ / ( ) 度 / MPa 1 粉砂岩砂泥岩细砂岩砂质泥岩煤层泥岩花斑泥岩中砂岩 f s = σ sin φ - σ sin φ + 2c 1 - sin φ 1 + sin φ 式中,σ 1,σ 3 分别为最大和最小主应力 ;c,φ 分别为岩石的黏聚力和内摩擦角 2 模拟结果分析巷道开挖破坏了原岩应力场的平衡状态, 引起应力的重新分布从力学角度分析, 煤层开采的过程实质上就是采场前方应力不断调整重新演化分布的过程 [4], 随着工作面的不断推进, 煤壁前方支承压力和水平应力出现相应的规律性变化但是当工作面斜长发生改变时, 采场覆岩的应力分布和演化过程出现了明显的不对称性, 应力集中现象增加, 应力峰值增大, 巷道维护困难, 容易引发冒顶片帮等安全事故 2. 1 支承压力的演化过程图 2 记录了正规工作面正刀把式工作面和反刀把式工作面 3 种面长情况下工作面推进距离与采场支承压力分布特征的演化关系由图 2(a) 可以看出, 当工作面推进 30,60,120,220 m 时, 对应的支承压力峰值分别为 18,25,23 和 29 MPa 可见, 对于斜长一直保持 240 m 的正规工作面, 煤壁前方的支承压力随工作面推进距离的增加而增大, 当工作面推进到 120 m( 即推进距离为工作面斜长的一半 ) 半工作面见方时, 应力峰值首次达到最大值 ; 随后, 支承压力峰值开始出现短暂程度的减小, 紧接着覆岩破坏加剧支承压力继续增加, 当工作面推进到 220 m 以后, 处于工作面见方 ( 推进距离与工作面斜长相等, 两者在平面上的投影近似为正方形板 ) 期时, 支承压力达到最大值, 高位岩层积聚的弹塑性能量大量释放 [15], 局部层位的岩层出现离层现象, 覆岩集中断裂破坏, 矿压显现异常图 2(b) 反映了正刀把式工作面推进距离与支承压力的变化关系工作面斜长由 120 m 逐渐过渡到 240 m, 其中推进长度 280 m 的位置为工作面由小变大的衔接处据图分析可知, 工作面推进 255, 275,295,315 m 时, 对应的应力峰值分别为 30,29,31 和 36 MPa 可见, 正刀把式工作面的应力峰值较正规工作面有所增大, 工作面推进至 280 m 以前, 煤壁前方支承压力呈拱形分布, 并关于工作面中轴线对称, 当工作面推进至斜长的整数倍位置时, 应力峰值明显增大, 覆岩活动加剧但当工作面推进到 280 m 以后, 支承压力的分布出现明显的不对称性, 分布形状呈现前小后大的花生状, 工作面推进距离在 255 ~ 310 m 的衔接面过渡范围内垂直应力波动较大, 数值变化明显, 顶板来压剧烈, 巷道极难维护由图 2(c) 可以看出, 反刀把式工作面推进距离与支承压力的演化过程与前两者相比存在明显差异工作面推进 255,275,295,315 m 时, 对应的垂直应力峰值分别为 35,33,45 和 37 MPa, 应力峰值普遍较大工作面推进至单工作面见方时 (235 m), 应力达到峰值 ; 工作面推进距离在斜长由大变小的过渡面前后 20 ~ 30 m 的范围内, 岩层活动剧烈, 覆岩破断应力释放, 容易引发冲击地压和煤壁片帮事故 2. 2 水平应力的演化过程图 3 描述了不同面长情况下工作面推进距离与采场水平应力分布特征的演化关系从图 3(a) 可以看出, 当工作面推进 30,60,120 m 时, 对应的水平应力峰值分别为 8,10 和 12 MPa 由图 3( b) 可知, 工作面推进 255,275,295 m 时, 对应的水平应力峰值分

4 46 煤 Fig 2 图2 炭学报 2014 年第 39 卷工作面支承压力演化过程 Working face abutment pressure evolutionary process 别为 15,14 和 16 MPa 图 3 ( c) 中当工作面推进作面推进长度的增加呈现出不同的变化趋势,其应力 20 和 23 MPa 据此分析,煤壁前方的水平应力在特时,竖向应力与水平应力都随推进距离的增加而增 255,275,295 m 时,对应的水平应力峰值分别为 18, 定区间内随工作面推进距离的增加而增大,不等长工作面的水平应力略大于等长工作面的应力数值, 反刀把式工作面的水平应力最大,分布较不规则,水分布形态大体分为 4 个阶段:工作面推进 0 ~ 120 m 大,推进到 120 m 时应力首次出现峰值;120 ~ 180 m 的范围内,双向应力不断减小;180 ~ 240 m 的阶段内,垂直应力与水平应力开始增大,进入工作面见平应力的分布特征与垂直应力的演化过程存在一定方期时,应力峰值达到最大;而后随着工作面的继的相关性,两者的共同作用导致了煤岩层的破坏续推移,双向应力逐渐减小这种周而复始的应力变 2 3 化与工作面顶板岩层的活动规律相吻合,每一次应力采场应力的对比分析对 3 种面长情况下双向应力的演化过程进行统峰值的出现都将引起采场覆岩的剧烈活动,围岩变形计分析,得出工作面前方支承压力的形成趋势曲线破断,支架荷载增加,顶板下沉冒落,支护工作繁重作面推进距离的变化关系( 图 5) 的变化过程略有不同,其应力分布形态经历了 5 个阶 ( 图 4) 及工作面前方 1 m 处煤体中的应力分布随工从图 5 中可以发现,正规工作面的双向应力随工刀把式工作面与正规工作面相比,双向应力段:前 4 个阶段的演化规律大体相似,只是当工作面

5 增刊 1 王新丰等 : 不规则采场应力分布特征的面长效应 47 Fig. 3 图 3 工作面水平应力演化过程 Normal working face horizontal pressure evolutionary process 图 4 支承压力形成趋势 Fig. 4 The formation trends of abutment pressure 推进到 280 m 的衔接面时, 应力开始急剧增加, 覆岩煤与瓦斯突出等突发灾害事故的可能性增大反结构发生新旧更替, 即前一次形成的覆岩空间结刀把式工作面与正刀把式工作面相比, 前者的应构被新形成的空间结构所代替, 动压数倍于静压 [16], 力变化偏大, 破坏力强, 同种条件下工作面的设计与顶板活动加剧, 巷道破坏失稳, 煤岩体发生冲击地压布置要求更高, 顶板管理难度加大

6 48 煤炭学报 2014 年第 39 卷图 5 工作面推进距离与应力分布关系 Fig. 5 The relationship between working face position and stress distribution 综合分析可知, 煤壁前方的双向应力普遍存在着形成发展稳定的动态演变过程 [14] 采场覆岩的变形与破坏受支承压力和水平应力双方面影响, 而非单一的支承压力作用, 两者的共同作用决定了煤岩体的失稳破坏力分布, 当工作面推进到见方期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时, 应力明显增大, 覆岩活动加剧高位岩层积聚的弹塑性能量大量释放, 局部层位的岩层出现离层, 覆岩集中断裂破坏, 矿压显现异常 3 工程验证淮南矿业集团潘三矿工作面是典型的正 (2) 水平应力的分布特征与垂直应力的演化过程存在一定的相关性, 采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果, 而非单一应力决刀把式工作面工作面走向长 m, 倾斜长定 118 ~ 236 m, 斜长 118 m 的首采面走向长 300 m, 顺接的 236 m 斜长工作面走向长 m 煤层倾角 2 ~ 15, 平均倾角 7, 为近水平煤层, 煤层赋存稳定, 煤层厚度 3. 1 ~ 5. 0 m, 平均煤厚 3. 9 m 直接顶和直接底均为泥岩, 基本顶为 m 厚的细砂岩工作面地温高, 地压大, 煤尘具有爆炸危险性实际生产中, 当工作面推进到 116 m, 即接近单工作面见方时, 顶板活动加剧, 发生一次冒顶事故当工作面推进 295 m, 到达工作面对接区时, 支架推移困难, 压架现象明显, 煤壁片帮严重图 6 记录了工作面推进过程中的支架来压情况由此可见, 工作面见方期间和工作面对接区域矿压显现最为突出, 极易发生顶板事故, 这与数值模拟的结果相一 (3) 正规工作面推进时, 顶板受力均匀, 分布特征呈现一定的规律性, 应力集中现象较少, 便于巷道施工, 利于安全开采不规则工作面推进过程中, 在对接面前后 20 ~ 30 m 的范围内应力过度集中, 数值波动较大, 巷道较难维护 (4) 正刀把式工作面与反刀把式工作面相比, 后者在对接面前后肩窝处的应力集中程度更大, 覆岩破坏剧烈, 巷道施工与维护的困难较大, 因此在工作面设计过程中应尽量避免工作面斜长由大变小的布置方式 (5) 就工作面顶板管理与围岩控制效果分析, 正规工作面最好, 正刀把式工作面次之, 反刀把式工作面最差致参考文献 : 图 6 工作面支架来压判据 Fig. 6 Support pressure judgment 4 结论 (1) 工作面推进长度直接影响着采场前方的应 [1] 钱鸣高, 石平五. 矿山压力与岩层控制 [M]. 徐州 : 中国矿业大学出版社,2003: Qian Minggao,Shi Pingwu. Mining pressure and strata control[ M]. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2003: [2] 张平松, 胡雄武, 刘盛东. 采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究 [J]. 岩石力学与工程学报,2011,30(1): Zhang Pingsong,Hu Xiongwu,Liu Shengdong. Study of dynamic detection simulation of overburden failure in model workface[ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(1): [3] 弓培林, 靳钟铭. 大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究 [J]. 煤炭学报,2004,29(1):7-11.

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Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc

Microsoft Word - 11--方刚_new_.doc 第 44 卷第 3 期煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY & EXPLORATION Jun. 2016 文章编号 : 1001-1986(2016)03-0057-08 铜川玉华煤矿顶板离层水突水机理与防治方刚 1,2,3, 靳德武 (1. 中煤科工集团西安研究