煤矿采动顶板“上三带”分布规律研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 煤矿采动顶板“上三带”分布规律研究 【摘要】在正常条件下，根据覆 岩采动破坏程度及其次生的透水透沙能 力，从开采煤层的顶板开始，由下而上 大致可划分为三个不同的破坏影响带， 即：冒落带、裂缝带和弯曲带。准确地 理解采动顶板“ 上三带” 的分布规律，是 合理设计顶板疏水巷和施工顶板疏水钻 孔的关键，这关乎顶板水治理效果的好 坏。 中国论文网 /7/view-12934522.htm 【关键词】覆岩；厚度；采动； 裂隙 1.覆岩遭受破坏的根本原因和各 种不同的破坏影响 1.1 破坏性采动影响和非破坏性 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 采动影响 采后覆岩大面积缓慢整体移动或 下沉，一般不产生连通性的导水裂缝， 岩层的原始渗透性不发生明显的变化， 儆诜瞧苹敌圆啥 影响。如果覆岩在 发生变形、位移过程中伴有开裂、破碎、 脱落等使岩层原有的导水、隔水性能改 变，就属于破坏性采动影响。 1.2 规律性采动破坏和非规律性 采动破坏 以长壁工作面为代表的大面积均 匀采煤，造成采高大致相同的采出空间， 它的采动影响在垂直剖面上是以采场为 中心，以顶底板及煤壁为起点向四周扩 散，并逐渐减弱或消失，因而它具有一 定的分带性，并且分布比较有规律，故 称为规律性采动破坏。与之相反，以落 垛、托煤顶等采煤方法为代表的采场， 采高很不均匀，常常由于局部采高超出 煤层而向上抽冒，采出空间极不规则， 覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分 带性，没有规律可循，称为非规律性采 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 动破坏。这类破坏在局部地点可以象 “宝塔”一样向上发展直达地表，形成漏 斗状塌陷坑，它对于地表水体下采煤， 具有极大的危险性。 2.覆岩采动破坏的分带性 在正常条件下，根据覆岩采动破 坏程度及其次生的透水透沙能力，从开 采煤层的顶板开始，由下而上大致可划 分为三个不同的破坏影响带，即：冒落 带、裂缝带和弯曲带。如图 1。 （1）冒落带。采煤工作面放顶 后，顶板发生逐层冒落，直到冒落矸石 接触上覆岩层，此冒落破坏范围为冒落 带。冒落带高度一般为采厚的 2-6 倍， 其最大高度一般不超过响应裂缝带高度 的 0.5 倍。 （2）裂缝带。在顶板岩石自由 冒落后，冒落带上方的岩层继续下沉弯 曲，当其弯曲超过本身强度时，将产生 张裂隙，以至断裂。这一过程逐层向上 发展，直到上覆岩层整体下沉弯曲为止， 这部分称为裂缝带或裂隙带。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 （3）弯曲带。此带位于裂缝带 上方直到地表的整个覆岩。岩层呈平稳 的弯曲，没有大的断裂，但有时产生离 层，甚至在拉伸部位产生局部的微小张 裂隙；但这些裂隙的连通性很弱或不连 通，局部有可能导致渗透性加大，但不 影响整体。 3.导水裂隙带的发育因素 影响导水裂隙带发育的因素主要 有： （1）煤层开采厚度的影响。在 其他条件不变的情况下，随着煤层采厚 的增加，导水裂隙带高度（简称导水裂 高）不断增大。 （2）开采面积的影响。采出空 间是造成覆岩破坏的根本原因，但开采 面积的大小，只有在尚未达到充分采动 时才有明显的影响。一次连续回采的阶 段垂高越大，覆岩破坏高度就越大。 （3）覆岩岩性的影响。上覆岩 层的顶板岩性及其组合关系，对煤层采 出后导水裂隙带的发育有极大的影响， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 岩层愈硬，导水裂隙带愈高（其他条件 相同时） ；顶板岩层愈软，导水裂隙带 愈低。 （4）煤层倾角的影响。煤层倾 角不同，其覆岩破坏后的导水裂隙带发 育形态也不同。 （5）断层的影响。位于采面上 半部的高角度张性断层或导水断层，是 引起导水裂高沿着断层破碎带向上冒裂 的危险因素；位于正常冒落带以上的断 层，有可能使冒落带向上发展到该断层； 位于正常冒落带范围内倾角比较平缓的 断层，一般对冒落带高度影响不大。 （6）采煤方法的影响。采煤方 法对覆岩最大导水裂高的影响极大；不 同的采煤方法所引起的地表变形、覆岩 破坏程度也不同。 （7）顶板管理方法的影响。尤 氏煤炭有限责任公司采用的全部陷落顶 板管理方法，使覆岩破坏最严重，一般 都将发生冒落性和开裂性破坏，并具有 三带特征。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 4.滑体构造破碎带下顶板三带的 数值模拟 应用 F-RFPA2D 分析系统，对煤 层顶板随开挖的进行，岩层破坏逐步向 上发展的全过程进行了模拟，从模拟过 程中能充分的提取顶板变形的足够相关 信息，比如顶板的变形、破坏过程。 4.1 岩石破裂过程分析程序 F- RFPA2D 原理 岩石破裂全过程分析系统 RFPA2D 运用现代计算力学原理和计算 机可视化技术，基于有限元理论和全新 的材料破裂过程算法思想，可通过考虑 材料的非均匀性来模拟材料的非线性， 通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏 的非连续行为；是一个以弹性力学为应 力分析工具、以弹性损伤理论及修正的 Coulomb 破坏准则为介质变形和破坏分 析模块的分析系统；可用于研究岩石 （岩体）材料从细观损伤到宏观破坏的 全部过程。 破坏分析则是根据一定的破坏准 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 则来检查材料中是否有单元破坏。对破 坏单元采用刚度特性退化（处理分离） 和刚度重建（处理接触）的办法进行处 理。另外，本分析系统的一个显著特点 是将岩石类材料的不均匀性参数引入到 计算单元，以概率统计方法描述其离散 性，充分考虑了岩石介质的非均匀性。 4.2 计算模型及参数 根据相关资料表明，上破碎带平 均厚度为 28.7m，下破碎带的平均厚度 为 9.6m，夹在中间的断裂带平均厚度为 8.56m，为了数值模拟的需要，对上述 三个带分别进行了适当的调整，按次序 调整为 28m、10m 和 8m。 综合工作面范围内的钻孔柱状图 所描述的各岩层岩性特征和相关地质资 料，列出各岩层的岩石力学参数。 主要几何参数是依据开采方案并 考虑采动影响范围确定的。模型长 600m，高 400m 至地表，约束条件取两 侧为限制水平方向位移的滑动支座，底 部为限制垂直方向位移的滑动支座，底 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 边与侧边的两个角点处为限制水平方向 与垂直方向位移的固定支座。模型共划 分 300200 个基元，假定岩层细观单元 为均质、各向同性线弹脆性体，为了充 分考虑岩石类材料的非均匀性，假定各 岩层细观单元的物理力学性质参数（见 表 1）均服从韦伯（Weibull）分布 （m， u） （其中参数 m 反映材料的非 均匀程度，m 值越大，材料越均匀，u 为反映岩层材料平均性质的参数） ，从 而使每一岩层具有相似的物理力学性质。 在整个加载过程中采用位移控制的加载 方式，加载位移量 s=0.01mm，数值模 型的具体力学及控制参数见表 2。将开 挖工程岩体介质概化为：由具有开挖孔 洞的分层所组成的非线性空岩体，各分 层具有相似物理力学性质，非均质各向 同性。模型的左右两侧近似为无穷远处 的固定边界，在水平方向上不产生位移， 只在垂直方向上滑动，底部视为铅垂方 向的简支约束。在试验过程中，采用修 正的带拉伸截断（tensilecut-off）的库 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 仑准则作为破坏的判别准则。 4.3 覆岩破坏模拟结果 根据数值模拟的结果，冒落带的 高度约为 36m。由于该区域内的岩层完 全失去了原有的连续性和层状结构，水 体极易通过。冒落带内的岩层由于进一 步的破碎，具有较大的碎胀系数，在堆 积一定高度后，就能接触到上部岩层， 这样就会对上部岩层的起到支撑作用。 上部岩层又会进一步压实冒落区内的破 碎岩块，因而冒落带上方的岩层会发生 变形、离层、断裂但未脱离于原岩体， 形成了裂隙带，根据数值模拟的结果， 裂隙带的高度约为 66m。冒落带