（安全技术及工程专业论文）围岩宏观应力壳和采动裂隙演化特征及其动态效应研究.pdf

摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t y , n o n l i n e a r , d y n a m i co fe v o l v i n ga n dt h ev a r i e t yo f e f f e c t i n gf a c t o ro fm i n i n gi n d u c e ds t r e s sa n dm i n i n gi n d u c e df r a c t u r e ( m i f ) d u r i n g c a v i n g ，t h ee v o l v i n go fm a c r os t r e s ss h e l l ( m s s ) a n dm i f a n dt h o s ee f f e c t i n gf a c t o r s a l es t u d i e dc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m i c a l l yb yt h ei n t e g r a t e dm e t h o d so fo n s i t e t e s t s ，m a t e r i a ls i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r ya n a l y s i se r e i n t h e e x t e n s i v et h r e e d i m e n s i o n a ls u r r o u n d i n gr o c k t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em s s c o n f i g u r a t i o ni sa na p p r o x i m a t eh a l fs p a c ee l l i p s e - s p h e r e s h e l la n dt h em i fi sa n a p p r o x i m a t eh a l fs p a c et r a p e z i u m c o n ea n dt h ed i s t r i b u t i o na n de v o l v e m e n to fm i f a r e n e a r l y r e l a t i v e 、i t ho n c ec a v i n gt h i c k n e s sa n dm i n i n gf r a m ep a r a m e t e r s t h e e v o l v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dm i n i n gh e i g h ta f f e c t i o no fm i fa r eo p e n e do u t t h e m e c h a n i ca n a l y z i n gm o d e la n dt h er e f e r e n c ef r a m eo fm s sa n dm i fe v o l v e m e n ta r e c o n s t r u c t e da n dt h o s ec o n f i g u r a t i o ne q u a t i o n sa l ee d u c e d b a s e do nt h ei n t e g r a t e d a n a l y s i so fe v o l v i n ga n de q u a t i o n so fm s s a n dm i f , t h ef a c t o r sa n dt h er e l a t i o na m o n g t h o s e ，t h em e c h a n i s mo fa c t i n go nm s sa n dm s sa n dm i fe v o l v e m e n tb yc o a lp i l l a r a r eo b t a i n e da n dt h ei n s t a b i l i t yc r i t e r i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h em s se v o l v i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i ca f f e c t i o nb e t w e e nm s sa n dm i fa l es y n t h e t i c a l l y o p e n e do u t t h er e s u l t sp r o v i d es o m ei m p o r t a n tr e f e r e n c e s o nt h e m i n i n gf r a m e d e s i g n i n g ，a b u t m e n tc o n t r o l l i n ga n ds a f e t ym i n i n ga n ds oo n f i g u r e8 2 t a b l e4 0r e f e r e n c e14 0 k e yw o r d s ：m a c r os t r e s ss h e l l ( m s s ) ；m i n i n gi n d u c e df r a c t u r e ( m i f ) ；e v o l v i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；c o n f i g u r a t i o ne q u a t i o n ；d y n a m i ca f f e c t i n g c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 3 t d 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 童徵垄墨太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：五年j 月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀矍王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：物纠 签字日期。7 年占月日 导师签名： 驴年 签字日期：口厂年石月，日 安徽理工大学博士论文 1 绪论 煤炭作为我国的主要能源，在国民经济发展中占有极其重要的位置。随着现 代化建设步伐加快，全国能源消费必然迅速增长，对煤炭的需求也将持续增加， 2 0 0 6 年我国原煤产量已达2 3 2 5 亿t 。但由于我国煤层赋存的多样性、地区间开采 的不平衡性、技术及装备的不均衡且相对落后，煤矿动力灾害事故不断发生，煤 矿安全生产形势日趋严峻。近年来，随着机械化水平的不断提高，综采放顶煤、 大采高采煤方法已趋于成熟，以其高产高效、生产集中、成本低等特点，已成为 我国开采厚煤层的高效采煤方法【l 5 1 。一方面，由于一次开采厚度的增加，采空区 空间和采动影响范围扩大，势必引起煤岩层的垮断规律和采动应力场与裂隙场时 空演化过程发生根本性改变。另一方面，随着煤矿开采深度的不断增加，地应力 与瓦斯压力不断加大，煤矿开采的地质条件和技术条件也日趋复杂，动力灾害发 生的矿井数量和危害程度又呈明显上升趋势。深井开采实践表明，矿山深部工程 灾害的发生与深部采动围岩应力环境及岩体在高应力下的力学行为有关，采后围 岩移动、围岩应力重新分布、采动应力和采动裂隙演化诱发围岩结构失稳是一系 列工程灾害发生的根本原因。特别是高强度开采( 综放、大采高) 条件下采场围 岩力学特征、应力分布、变形破坏等更为复杂，给煤矿的安全高效开采提出了严 峻的课题i 旧3 1 。 多年来，国内外众多科研工作者和工程技术人员围绕地下开采覆岩移动、围 岩应力分布、覆岩结构形态、采动裂隙发育等矿压理论方面开展了许多研究，取 得了一系列成果，对推动煤矿安全高效开采起到积极重要作用。 1 1 国内外研究进展 1 1 1 采场矿山压力理论国内外研究进展 自采用长壁开采技术以来，回采工作面的顶板控制一直是采矿学科研究的核 心问题之一。采场中一切矿压显现的根源是采动引起的上覆岩层运动，由于上覆 岩层的岩性、厚度、层位关系及构造情况不同，存在着多种多样的运动规律。而 顶板的结构形式决定了顶板的运动特征，因此也是决定顶板控制方式和方法的关 键因素。在对这个问题的研究过程中，曾提出了各种采场矿山压力的假说，每种 假说都以不同方式回答了上覆岩层结构的形式问题，推动了矿压理论的进一步发 展。近年来，随着综放和大采高技术的发展及开采深度的不断增加，与矿山压力 第l 章绪论 相关的重大灾害逐渐增多，事故分析的结果表明，应重新认识矿山压力的分析计 算模型和事故发生的机理。 ( 1 ) 传统矿山压力假说【3 】【2 4 】 压力拱假说 德国学者w h a e k 和c t g i l l i z e r 于1 9 2 8 年提出，经前苏联工程师许普鲁特发 展的压力拱假说认为，采场在一个“前脚在煤壁、后脚在采空区 的拱结构的保 护之下( 图1 ) 。随着工作面推进，前后拱脚( a 、b ) 也将向前移动。压力拱切断 了拱内外岩石的联系，承担了上部岩层的重量，并将传递到拱脚，从而形成支承 压力区，在两个拱脚之间形成一个减压区，采场支架仅需承担压力拱内岩石重量。 压力拱假说可以解释长壁开采的某些矿山压力现象，但难以解释采场周期来压等 现象。 悬臂梁假说 德国学者k s t o k e 和英国学者费里德i f r i e n d 于1 9 1 6 年提出悬臂梁假说。该假 说认为，顶板岩层是一种连续介质，初垮以后，可以看作一端固定在工作面煤壁 前方煤体上的悬臂梁。正是这种岩梁随采场推进有规律的折断，才导致采场来压 的现象。悬臂梁假说可以较好地解释工作面周期来压现象，但没有考虑支承压力 预破坏顶板岩层的影响，因而对覆岩结构形态的描述不够全面。 预成裂隙假说 比利时学者a 拉巴斯1 9 4 7 年提出，该假说认为，由于工作面前方支承压力的 作用，使顶板岩层中形成了裂隙，上覆岩层的连续性遭到破坏，从而形成“假塑 性体 ；在回采工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区( 图2 ) 。 预成裂隙假说揭示了煤层及临近采场的部分岩层在支承压力作用下超前破坏的可 能性，正确地指出了其破坏的原因，但不能正确地解释采场上覆岩层的周期性破 坏和来压规律。 铰接岩块假说 该假说由前苏联学者t h 库茨涅佐夫于1 9 5 4 年提出，假说中采用的工作面上 覆岩层破坏模式如图3 所示。铰接岩块学说比较深入的揭示了采场上覆岩层的发 展状况，特别是岩层垮落条件。该学说认为，需控的顶板有冒落带和其上的铰接 岩梁组成。冒落带给予支架的是“给定荷载”，它的作用力必须由支架全部承担。 而铰接岩块在水平推力的作用下，构成_ 个平衡结构，这个结构与支架之间存在 “给定变形”的关系。铰接岩块学说的重大贡献在于，它不仅解释了拱假说所能 解释的矿压现象，而且解释了采场周期来压现象，第一次提出了预计直接顶厚度 2 安徽理工大学博士论文 的公式，并从控制顶板的角度出发，揭示了支架荷载的来源和顶板下沉量与顶板 运动的关系。 a 前拱脚b 后拱脚 质扳内压力拱轴线：2 - 底板内压力拱轴线 图l 压力拱假说模型 f i glp r e s s i n ga r c h h y p o t h i s m o d e l 三 匹 i 应力降低区； i i 应力升高区：皿采动影响区 圈2 预成裂隙假说模型 f i g2 f r o n t f r a c t a 】c r a c k h y p o t h e s i s m o d e l l - 煤层；2 - 不规则垮落带；3 - 规则移动带 暖3 铰接岩块假说模型 f i g3p i n j o i n tr o c kb l o c kh y p o m e s b m o d e l ( 2 ) “砌体粱”理论 中国工程院院士钱鸣高教授在铰接岩块学说和预成裂隙假说的基础上，根据 现场观测分析，研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结构的平衡条件，提出了 上覆岩层开采后呈砌体粱式平衡的结构力学模型( 图4 ) ，得出了砌体粱的形态和 受力的理论解以及砌体梁排列的拟舍曲线 2 4 2 9 1 。该理论认为采场上覆岩层的岩 体结构主要是由多个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩可视为坚硬岩层上的载荷， 此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。该研究的意义主要在于：给出了上覆 岩层结构形态与平衡条件的上部边界条件并为采场矿山压力控制参数奠定了基 础。从该理论的假设条件可以看出，该理论的结论更适用于存在坚硬岩层的采场。 3 津甘 第1 章绪论 、_ 、， 蠢j 翟鏊薹醚j 国5 传递岩粱力学模型 f i g5 m c c h 蛐i c m o d e l o f c o a v e y i n gr o c k b e a m 安徽理工大学博士论文 ( 3 ) “传递岩梁 理论 7 0 年代以来，中国科学院院士宋振骐教授等人在大量现场观测的基础上建立 并逐步完善了以岩层运动为中心，预测预报、控制设计和控制效果判断三位一体 的实用矿压理论体系1 3 0 , - - 3 4 ，即“传递岩梁 理论( 图5 ) 。该理论揭示了岩层运 动与采动支承压力的关系，认为老顶断裂线为界分为内、外两个应力场，提出了 “限定变形 和“给定变形 为基础的位态方程( 支架围岩关系) ；以此为基础， 提出了系统的巷道合理位置确定、采场项板控制设计及煤矿重大事故预测和控制 的理论和技术。 ( 4 ) 岩板理论 由于砌体梁结构的研究是限于采场中部沿走向的平面问题，随着采场矿山压 力研究的深入，尤其是老顶来压预报的发展，在坚硬顶板工作面，研究了将老顶 岩层视为四周为各种条件下的“板 的破断规律、老项在煤体上方的断裂位置以 及断裂前后在煤与岩体内所引起的力学变化。在坚硬顶板工作面，贾喜荣教授首 先将老顶岩层视为四周为各种支撑条件下的“薄板并研究了薄板的破断规律、 老顶在煤体上方的断裂位置以及断裂前后在煤与岩体内所引起的力学变化【1 0 1 ；钱 鸣高院士等( 1 9 8 6 ) 提出了岩层断裂前后的弹性基础梁模型，从理论上证明了“反 弹 机理并给出了算例【3 5 】；钱鸣高院士、朱德仁博士( 1 9 8 7 ) 、何富连博士( 1 9 8 9 ) 提出了各种不同支撑条件下的w i n l d e r 弹性基础上的k i c h h o f f 板力学模型【3 6 1 ，并 利用老顶岩层形成“砌体梁 结构前的连续介质力学模型分析了顶板断裂的机理 和模式。徐秉业教授等系统分析了塑性极限板承载机理，获得了其解析解【3 7 1 。姜 福兴教授( 1 9 9 1 ) 对长厚比小于5 8 倍的中厚板进行了解算【3 引，得到了一些有益的 结论。至此，开采后老顶的稳定性、断裂时引起的扰动及断裂后形成的板结构形 态形成了一个总体概貌。 ( 5 ) 关键层理论 钱鸣高院士领导的课题组根据多年对顶板岩层控制的研究与实践，在8 0 年代 中后期提出了岩层控制的关键层理论【1 2 ，3 删。该理论认为，在采场上覆岩层中存 在多层坚硬岩层时，仅有一层或几层坚硬岩层对整个采场上覆岩层的运动起决定 性作用，采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表沉陷等一系列矿压显现规律主 要受坚硬岩层中一层或几层被称为关键层的岩层控制。关键层判断的主要依据是 其变形和破断特征，即在关键层破断时，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形 是相互协调一致的，前者称为岩层活动的主关键层，后者称为亚关键层。基于覆 岩中关键层的破断规律【4 5 1 、关键层上载荷的变化规律1 4 6 1 及覆岩关键层位置的判断 5 第1 章绪论 方法【4 7 】的进一步研究和探讨，完善了关键层理论。关键层理论揭示了采动岩体的 活动规律，把采场矿压、岩层移动、地表沉陷等方面的研究在力学机理上有机统 一为一个整体，为岩层控制理论的迸一步研究奠定了基础，是研究采动岩体动力 灾害发生机理的方向之一。 ( 6 ) 其它采场矿压理论 吴健教授研究认为【4 引，放顶煤采场上覆岩层存在由众多断裂岩块所组成的梁 式自稳结构，梁式结构在水平挤压力作用下，具有承载能力和变形特性，并提出 综放开采支架一围岩关系的新概念。吴健教授、闰少宏博士应用有限变形理论分 析认为1 4 9 】，放顶煤高位岩层形成宏观连续的“挤压拱”式平衡结构，随采场推进， 该拱在走向呈规律地开裂，并在横向保持很好的力传递关系。吴健教授、郝海金 博士应用球壳理论结合相似模拟和数值模拟研究建立了大采高开采上覆岩层结构 力学模型一压力壳一梁结构，分析得出了压力壳的基本力学特征及形态特征【5 0 】。 靳钟铭教授、张顶立教授、宋选民博士等根据现场观测和相似模拟研究认为 s i - 5 2 ：由于综放面顶煤、直接顶、老项的差异，从顶煤至老项可形成砌体梁半拱 式、搭桥式传递岩梁、悬臂岩梁和压力拱式四种结构，并分析了拱的成拱机理和 拱的形态特征。 王金庄教授等在考虑上覆岩层的岩性、厚度、埋深等因素的基础上，根据覆 岩破坏机理，运用梁弯曲变形理论和连续介质力学分析了采动覆岩断裂破坏的条 件，建立了采动覆岩动态移动破坏的力学模型，并进行了计算分析【5 3 5 5 1 。 邓广哲教授通过现场实测和相似模拟实验分析，得出了放顶煤采场上覆岩层 运动拱结构特征及其对采场矿压和围岩控制的影响规律，并采用拱壳结构力学对 放顶煤采场上覆岩层形成拱结构从宏观上作了初步分析，得出上覆岩层拱壳结构 的失稳特征【5 6 j 。 姜福兴教授、马其华博士和史红博士依据“岩层质量的量如l 起老硕结构形 式质变”的观点，提出了老顶存在类拱、拱梁和梁式三种基本结构，并提出了定 量诊断老顶结构形式的“岩层质量指数法 s 7 5 8 。在此基础上，一方面，对采场 覆岩“0 型空间结构的形成、演化规律、与支承压力分布的关系及主要影响因素 进行了研究，提出了“板- 壳 大空间结构；另一方面，针对综放采场顶板运动稳 定性的特点，得出老顶结构的形式和直接顶的运动参数及判别方法，进一步提出 了不同的老顶结构形式下不同的支架围岩关系及采动覆岩空间结构与应力场的动 态关系【5 1 1 。 翟英达博士借助块体理论，通过力学分析的方法，系统研究了面接触块体结 6 安徽理工大学博士论文 构的力学特性，获得了面接触块体结构中力的传递规律，并给出了该种结构的稳 定条件，同时研究了块体几何参数以及结构偏转角对结构稳定性的影响，建立了 基本顶岩层的面接触块体结构理论框架【6 2 】。 谢广祥教授在大量现场实测分析基础上，综合研究提出了综放采场上位岩层 三维空间中存在高应力束组成的宏观应力壳，并获得了其主要力学特征 2 3 , 6 3 7 2 1 。 基于对应力壳的进一步分析，系统研究了采厚、护巷煤柱宽度及工作面推进速率 的变化对围岩宏观应力壳的影响，揭示了采场围岩力学特征的层厚效应、柱宽机 制、推进速率响应及减缓动力灾害机理f 7 3 侧，理论应用于工程实践取得了良好的 效果瞵h 9 1 ，推动了综放及大采高安全高效开采理论及技术的发展。 1 1 2 采场围岩支承压力计算研究进展 基于对采场围岩支承压力的形成、发展及其演化的影响因素、分布规律及其 计算的研究，获得了支承压力形成过程、分布特征及分区特性【3 ，1 0 - 1 2 3 3 弦嗍。随 着损伤断裂力学、现代数学及计算机技术发展，采场支承压力的计算取得了很大 进展，为采场围岩的有效控制及安全开采奠定了基础。 苏联学者a a 鲍里索夫和俄罗斯学者m m 佩图霍夫等根据采掘过程中岩体 内发生的物理一力学过程的实质及其规律，导出了计算矿山压力的计算表达式 f 9 c 扣9 3 】 o 波兰学者h e n r y ka l 利用位错模型研究了层状岩体的位移及应力分布，提出 了求解采动应力及位移的方法【9 4 】。 宋振骐院士等从支承压力形成机理入手，通过对支承压力形成的五个阶段分 析，创新地提出综合移动角起于支承压力边缘的方法，建立了相关的结构力学模 型和求解方程 3 3 3 4 1 。 吴健教授、郝海金博士针对大采高覆岩结构特点，应用球壳理论建立了压力 壳一梁结构模型，得出了压力壳的基本力学特征及相关平衡方程【5 0 1 。 贾喜荣教授等在坚硬项板分析基础上，根据工作面顶板岩层断裂前后的力学 特征，建立了“弹性板与铰接板结构 力学模型，推导出了矿压计算的解析表达 背 1 0 ，1 0 0 1 o 史元伟研究员视上覆岩层为不同弹性地基上的弹性板( 梁) ，按文克尔假设计 算挠曲岩板( 梁) 的基础反力，提出了回采工作面超前和侧向支承压力的解析估 算法【l o l 1 0 3 。 7 第l 章绪论 姜福兴教授、马其华博士采用力学方法研究了非充分采动阶段工作面推进覆 岩破坏过程与支承压力的动态关系5 喇。 李洪教授等把采面的集中应力分解为不变支承压力和可变支承压力两部分， 并根据弹性基础梁理论对这两种力进行了分析和试算【1 0 4 1 。 针对放顶煤开采的特点，对工作面前方和侧向支承压力的计算t g 取得了一些成果： 靳钟铭教授应用弹塑性理论，根据放顶煤工作面支护系统刚度组成，按弹 塑性理论，建立了综放面走向塑性区和弹性区支承压力分布规律方程式( 式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) s x d o s ，得出前支承压力与煤厚成反比，即随煤层厚度的增大，支承压 力降低。 塑性区：。 吒= 丽k l k 2 s j ( 1 - 1 ) 弹性区 铲七e x p l 嚣( 矿x ) i ( 1 - 2 ) 式中：吒一支承压力，m p a ；k i - 直接顶刚度；k ：- 煤体刚度：m 煤层厚度，m ； s 。一直接顶的初次下沉，即煤体压缩量，m ；七应力集中系数；支承压力峰值距 工作面煤壁距离m 孽数2 等 1 + 瓦精 o 谢和平院士、陈忠辉博士类比不同围岩条件下岩石的应力应变本构关系， 根据损伤理论建, - rt 给定变形下的前支承压力计算式( 式( 1 3 ) ) i 1 0 6 j ，认为煤岩 的性质对支承压力影响最大，而顶煤和直接顶厚度影响甚微。 a x 6 ，o r 铲吾+ e 车“) e x p ( 一互= 堑) 肘( 1 - 3 ) 二仃 5 0 式中：吒一支承压力，m p a ；o b - 煤岩围压，m p a ；工距煤壁的距离，m ；口b 煤岩的变形曲线参数；，原岩应变；厅- 顶煤和直接顶高度，m ；e 煤岩弹性模量， m p a ；m ，氏煤岩体本构关系的形态系数。 侯朝炯、柏建彪、王卫军等应用损伤力学本构关系建立了给定变形条件下 超前支承压力仃：和侧向支承压力盯：表达式( 式( 1 - 4 ) 式( 1 5 ) ) 1 0 7 1 0 5 1 ，认为 当煤与直接顶厚度较大时，支承压力相对较高、影响范围较大。 8 安徽理工大学博士论文 仃：-三盯，exp(石五笔，+ec!弓+q，e_一一 仃，=三仃，exp(孑石与，+ec竺垒差兰+c：，exp一r兰：差三=一：-12二譬 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 式中：盯3 一煤岩围压，m p a ；石- 某点的走向距离，m ；y 该点的倾向距离，m ； 办- 直接顶与煤层的厚度，m ：m ，6 0 - w e i b u l l 分布标度与形态参数；a l , b l ，a 2 ，b 2 ，c i ，c 2 - 待定常数。 1 1 3 采动裂隙研究进展 近些年来，国内外学者主要采用力学分析预计、数值模拟、相似材料模拟、 地球物理探测技术、钻探等方法对采动裂隙的形成扩展过程、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【l0 9 1 。 刘天泉院士等对我国煤矿开采覆岩破坏与导水裂隙分布作了大量的实测和理 论研究【1 1 0 , 1 1 1 】，获得了采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律，提出了“横三 区 、“竖三带”的总体认识，归纳得出了计算导水裂隙带高度的经验公式，很好 地指导了工程实践。 钱鸣高院士、许家林博士等应用模型实验、图像分析、离散元模拟等方法， 在关键层理论的基础上，对上覆岩层采动裂隙分布特征进行了研究，揭示了长壁 工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“0 ”形圈分布特征，建立了卸压瓦斯抽 放的“0 ”形圈理论，并将其用于实践取得了显著效果【1 2 , 1 1 2 - 1 1 7 】。 谢和平院士、于广明教授等采用分形理论，借助计算机模拟技术和试验研究 得出采动岩体裂隙分布规律及裂隙网络的分形特征【1 1 8 1 2 2 1 。 邓喀中教授等在相似模拟试验研究基础上，构建了采动岩体动态力学模型， 研究分析得出了采动岩体的破裂规律及裂隙的演化特征【l 融脚j 。 李树刚教授将采动裂隙场分为工作面上方裂隙场和采空区上方裂隙场，并获 9 第1 章绪论 得了覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征【1 2 6 1 。工作面上方裂隙场主要是由于受到超 前支承压力的作用，使煤体原岩应力发生巨大变化而形成的；而采空区上方裂隙 场是煤体的支承力突然消失后，采空区上覆岩层负重完全作用在顶板上，形成了 “砌体梁 结构，从而使顶板裂隙的形态同煤壁前方裂隙完全不同。 涂敏教授等研究认为在覆岩运动的动态过程中，在采空区上方存在着多个离 层裂隙和纵向断裂裂隙，覆岩中的离层和纵向断裂存在着张开和闭合，从产生、 发育到最终闭合是一个动态变化过程，提出了环形裂隙圈形成机理，并通过多种 方法研究，获得了采动裂隙发育高度、放顶煤开采裂隙带高度预测方法及裂隙非 稳态演化规律 1 2 7 - 1 3 2 】。 杨伦教授等根据开采沉陷控制并结合板断裂的力学模型分析获得了采动离层 变形机理、离层位置的计算式、离层分布的时空规律及其影响因素等，并进行了 离层注浆减沉方面的工程实践，从实践角度进一步完善了离层分布规律与地表沉 陷控制的理论技术体系【1 3 3 1 3 6 1 。 1 2 课题提出及论文主要研究内容 1 2 1 课题提出 综上所述，围绕高强度( 综放及大采高) 开采技术的发展，国内外在矿山压 力及其控制领域开展了卓有成效的工作，并取得了显著的成就。高强度开采技术 快速发展的今天，工程实践急需采场围岩力学场基础理论的支持，用于更好的指 导高强度开采技术的推广与应用，更大限度提高资源采出率，实现安全高效生产。 ( 1 ) 研究空间范围 地下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化的过程，采场矿 压客观上是一个三维分布问题，采场矿压分布及显现规律根本上是采场宏观围岩 三维力学场特征所决定的，所有的矿山压力现象都是随着煤体采出、采场围岩裂 隙演化、应力重新分布及岩体结构的破坏与运动所引起的。传统的采场矿压理论 所研究的范围多为乱8 倍采高以内的基本顶范围，而传统的开采沉陷研究多研究 地表的下沉变形参数与形态，对于地表以下6 8 倍采高以上的基本顶上覆岩层， 开展的研究不多，而这部分岩层对深部采场来说厚度很大，无论对采场矿压还是 对覆岩与地表沉陷控制研冠都是不应逾越的研究主体。因此，应在采场大范围 三维空间前提下，以运动的观点对围岩裂隙演化、应力重新分布进行系统研究。 ( 2 ) 应力壳演化失稳机制 1 0 安徽理工大学博士论文 煤层开采后上覆岩层应力重新分布将形成采场围岩宏观应力壳，应力壳力学 特征及其形态将影响到开采后岩层运动的形式及地表坍陷形态的描述，而研究得 出的采场围岩宏观应力壳整体上解释了综放开采诸多矿压及安全开采问题，但未 对应力壳的存在条件、演化方程、失稳机制作深入分析。 ( 3 ) 一次开采煤厚与采动裂隙分布及演化的关系 采动裂隙的形成、发育、演化是诱发各类矿压显现及动力灾害的关键因素之 一，是进行安全开采、瓦斯抽放、围岩控制所必须研究的主体。传统确定采动裂 隙发育高度、形态特征的相关理论多数是针对薄及中厚煤层开采条件所得的，随 采深和一次开采煤厚的增大，开采扰动的围岩范围、应力分布与薄及中厚煤层开 采有根本区别，这势必引起采动裂隙分布及演化特征的不同。故有必要开展一次 采厚变化对采动裂隙分布及演化的影响。 ( 4 ) 应力壳与采动裂隙的关系 采动裂隙的演化是一贯穿开采始末的动态过程，是应力重新分布的主导因素。 采动裂隙的演化势必影响到应力壳的形成、发展、演化和失稳过程，而应力壳演 化又影响采动裂隙的演化过程，二者在开采过程中的关系仍不清楚，故有必要开 展应力壳与采动裂隙演化的关系研究。 1 2 2 论文主要研究内容 本论文主要以采场大范围三维围岩为研究对象，采用现场观测、相似材料模 拟试验、数值模拟及理论分析的综合研究方法，开展采动引起的采场围岩宏观应 力壳演化特征及其与采动裂隙演化的动态效应研究，主要研究内容为： ( 1 ) 开展采场围岩宏观应力壳演化特征综合分析，以期获得非对称开采条件 采场围岩宏观应力壳演化特征及应力壳的壳基位置、宽度及壳体高度等应力壳各 参量间及其与采厚的关系。 ( 2 ) 采场围岩宏观应力壳形成机制及失稳判据分析。分析采动过程中采场围 岩宏观应力壳的形成机制，构建应力壳分析模型，研究应力壳的形成、发展、失 稳规律，以期建立采场宏观应力壳的动态失稳理论及其判据，力图获得采场围岩 宏观应力壳演化的动态影响范围。 ( 3 ) 采动裂隙分布及演化特征分析。研究覆岩移动变形规律、裂隙分布规律、 围岩塑性区分布规律、采动裂隙动态发育形态及一次开采煤厚变化对采动裂隙发 育及演化的影响规律。 第1 章绪论 ( 4 ) 开展应力壳与采动裂隙的相互关系研究，力图揭示应力壳与采动裂隙演 化的动态效应。 主要技术路线如图6 所示。 调研资料分析、课题提出及国内外相关研究现状 一 量 l l 现场观测分析 相似材料模拟试验分析数值模拟分析理论分析 土 围岩宏观应力壳 采动裂隙分布及其演 采厚变化对采动裂隙分布 演化特征分析 化规律分析及其演化的影响分析 u 构建应力壳与采动裂隙分析模型 u 求解应力壳及采动裂 影响应力壳及采动裂 应力壳演化过程、失稳模 c o0 0 隙演化的形态方程 隙演化的因素分析式及失稳判据分析 i u 应力壳与采动裂除演化的动态效应综合分析 图6 主要技术路线示意图 f i g 6t h ef l o wc h a r to f t e c h n i q u er o u t e 1 2 安徽理工大学博士论文 2 采场围岩宏观应力壳演化特征 本章在已有研究基础上，采用现场实测分析、实验室相似材料模拟分析、计 算机数值模拟分析及理论分析，开展采场围岩宏观应力壳演化特征分析。 2 1 采场围岩宏观应力壳力学特征概述 已有研究发现综放工作面围岩存在由高应力束组成的宏观应力壳，其主要力 学特征是【z 3 j ： 应力壳是由高主应力束所组成，并不是某一客观的实体。 应力壳中的主应力大于壳体内外岩体的应力。 应力壳的壳体位于上覆岩层弯曲带和采场周围未采煤岩体内，壳基作用在 工作面前后方和侧翼未采煤层边缘，壳基的应力即形成采场周围的支承压力。 应力壳体中的应力和壳基作用的位置随一次采厚大小发生变化，一次采厚 越大，壳基越宽且离煤壁越远，壳基处的应力则有所降低。 应力壳的形态随工作面推进和采场结构的变化而发生变化。应力壳随开采 活动的进行不断发生变化，新工作面形成时，相邻上工作面原应力壳壳基变成内 壳基，随着开采工作面的临近逐渐提升并在采面后方逐渐消失。 应力壳体具有几何形状非对称性和应力分布的非均匀性，以及壳体跨度和 厚度非一致性。一般在壳基处应力最大，壳项处应力次之，壳肩处的应力较低。 应力壳非全封闭的，特别是一次采厚不大时，在采面后方应力壳体可能在壳肩处 失衡。应力壳的壳高和跨度随一次采厚增加而呈非线性增大，但壳高( 或跨度) 与一次采厚之比减小。 老顶断裂后的平衡结构位于宏观应力壳下的减压带内，随一次采厚的增加 形成这一结构的高度越大，采场围岩“两带 ( 垮落带和裂缝带) 形成的外轮廓面 即是应力壳内曲面。 基于宏观应力壳的分析，揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质。综 放面主要力学场特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内，上覆岩体 荷载和压力通过应力壳传递到采场周边，应力壳是最主要的承载体，砌体梁仅承 担壳体下岩层部分荷载。一次采厚越大，应力壳形成的机制越强，工作面前方至 采空区后方很远处始终存在应力壳；一次采厚小时，应力壳形成机制弱，在采面 后方应力壳体可能在壳肩处失衡。位于应力壳下减压带的梁式结构折断与失稳会 造成工作面周期来压等现象，但不会产生大面积顶板来压，只有应力壳失稳才会 1 3 第2 章采场围岩宏观应力壳演化特征 造成剧烈的矿山压力现象。正是综放面始终位于上覆围岩宏观应力壳下低应力区 内，是综放面矿压显现趋于缓和的根本原因。 2 2 采场围岩宏观应力壳演化特征分析 2 2 1 开采地质及技术条件 谢桥矿1 1 5 1 ( 3 ) 综放面开采c 1 3 i 煤，为东一c 组采区东翼五阶段，地面标高为 + 2 0 4 - - - + 2 5 8 m ，工作面标高5 8 8 - - 6 6 2 m ，其中回风顺槽煤层底板标高为5 5 8 0 6 0 2 8 m ，运输顺槽煤层底板标高为6 3 6 5 6 6 2 0 m 。该面倾斜长2 3 1 8 m ，走向长 1 6 7 4 m 。平均煤厚5 4 m ，平均倾角1 3 0 ，容重为1 3 8 k n m 3 ，煤层普氏硬度系数f 1 5 。工作面采高2 6 m ，顶煤厚2 8 m ，采放比为1 ：1 1 1 5 ，采用z f 5 2 0 0 1 8 h l 型放顶煤液压支架。工作面及巷道布置如图7 所示。该面煤层结构稳定，但普遍 发育二层炭质泥岩或泥岩夹矸，煤层的顶底板情况如下：老顶为粉、细砂岩，厚 度约为6 2 m ；直接顶为泥岩或砂质泥岩和c 1 3 - 2 煤，厚度约为3 2 6 m ；直接底为泥 岩，厚度约为1 5 m ；老底为粉砂岩，厚度约为2 8 m 。该面的煤层综合柱状图如图 8 所示。风巷布置在上区段采空区( 儿4 1 ( 3 ) ) 侧，并留设5 m 宽煤柱护巷，风巷和机 巷巷道断面形状均为直角梯形，均采用锚网索支护。 下顺槽( 机巷) 图7 工作面及巷道布置示意图 f i g 7t h el a y o u tp l a ns k e t c h 。o fw o r k i n gf a c ea n dr o a d w a y 1 4 安徽理工大学博士论文 累厚 层厚 ( m )( m ) 柱状岩性描述 泥岩一灰深灰色，裂隙较发育，见少量植化碎屑： 细砂岩：灰白色，见裂腺，块状，较硬： 泥岩一深灰灰褐色，见裂隙、滑面，见藻层砂质条： 粉细砂岩：青灰色，偶见菱铁质颗粒，见裂隙； 2 59泥岩：灰褐色局部见花斑，见植物化石碎片： 2 8 2 砂质泥岩：深灰色，见裂隙口日面，砂质分布不均，致密； 4 6 泥岩：深灰色，局部参杂紫红，见裂隙、滑面局部具挤揉现象； 4 8 9粉砂岩：灰绿色，泥质胶结，层面见白云母碎屑； 泥质粉砂岩：灰灰绿色泥质胶结含少量暗色矿物： 中细砂岩：荻微带绿色，见泥质包体见裂隙，局部颗粒较粗 泥岩：深灰色，局部含炭条带，疏橙易碎： 1 4 煤：黑色，片状，局部相变为炭质洗岩； 泥岩：灰黑色，裂隙、滑面发育古植物根蕞化石： 粉细砂岩：莸灰白色，分选一般裂隙内充填方解石脉： 05cl 3 煤：黑色鳞片状以暗煤为主，亮煤； 泥岩：深灰色局部含根鉴化石： 8 53 6_c 1 3 ，煤：黑色，块片状玻璃光泽，夹矸为泥岩或炭质泥岩 8 68 6 泥岩：灰色，舍植物化石碎片； 8 96 6 粉砂岩：灰色，块状，致密，偶见植化碎片： 砂质泥岩：浅灰灰色，见裂隙，砂质分布均匀； 1 2 煤：黑色，片状，局部相变为炭质泥岩； 泥岩：深灰色块状，见裂隙，含少垃砂质： 9 99 6 中砂岩：灰白色，块状，岩性致密，坚硬； 1 0 34 6粉砂岩：浅灰灰色，块状，泥质腔结，较致密 1 0 47 6 细砂岩：灰白色块状致密； 砂质泥岩：灰椿灰色，见裂隙，内见藻层砂岩条带： 1 2 88 6 粉细砂岩：浅灰灰色，见少量裂隙，块状致密。 图8 工作面综台柱状盈 f i g8s t r a t ac o l u m n a rs e c t i o n 第2 章采场围岩宏观应力壳演化特征 2 2 2 应力壳壳基应力演化的现场实测分析 由于地下开采复杂性、煤岩体原始应力分布的不确定性和采动应力动态及非 线性分布特点，本文只分析相对应力集中系数的分布规律及演化特征。采用k s e i i 一1 型钻孔应力计对回采期间煤柱、工作面内煤层及侧向实体煤煤体应力进行 观测分析。测站布置如图9 所示。 5 m 注：一 数 每 机 7 m 、 1 7 m 图9 应力测点布置示意图 f i g 9t h es k e t c hm a pp fs u r v e ys t a t i o n s 煤柱侧壳基相对应力集中系数变化曲线如图1 0 ( 注：k 表示相对应力集中系 数；横坐标“一”号表示工作面前方未采煤岩体，下同) 。 1 1 0 1 - g o - 7 0 6 0 - 5 0 - 4 0 加加1 00 距工作面积，血 ( a ) 走向( b ) 倾向 图l o 煤柱侧壳基七变化曲线 f i g 10t h es t r e s sa r i dkv a r i a t i o t ic t l r v e $ o fm i c r os t r e s ss h e l lb a s e ( m s s b a s e ) b e s i d ec o a lp i l l a r 1 6 d盅q工d暑五4工d x 、 * d 暑q 4 二d 暑五4 2 d 安徽理工大学博士论文 由图1 0 ( a ) 可见，七沿走向具有分区特征( 表1 ) 。由图1 0 ( b ) 可见，煤柱 沿倾向存在应力峰值，最大应力位于巷道靠采空区侧，距巷道上帮3 n 4 m 范围内。 表l 煤柱侧壳基分区特征及七值一览表 t a b l e ! t h es t r e s sa n dkc h a r a c t e r i s t i c so fm s s - b a s eb e s i d ec o a lp i l l a r 走向壳基七值变化曲线和变化规律如图1 1 和表2 。分析可得： 前支承压力峰值位置在距工作面前方1 5 - - 2 0 m 的范围内，1 5 - - 2 0 m 至工作 面煤壁为应力降低区，风巷侧应力降低区范围大于机巷侧： 风巷侧工作面内煤体支承压力较机巷侧工作面内大，风巷侧k 为1 8 8 ，机 巷侧k 为1 7 6 。 - 1 1 0 - 1 0 0 如8 0 - 7 0 6 0 5 04 0 3 0 - 2 0 1 00 距工作面距离艋 图l l 走向壳基七值变化曲线 f i g 1 lt h e 七c u r v e s0 fm s s b a s eo nt h es t r i k e 表2 煤体应力变化特征 t a b l e2t h es t r e s sv a r i a t i o no f c o a lm a s s 侧向壳基尼值变化曲线如图1 2 所示，由图可见： 随着工作面的不断推进，在工作面前方约8 0 m 处，煤体应力开始缓慢增加 1 7 髯 5 0 5 0 5 0 够 加 ”加 吣 叫 第2 章采场围岩宏观应力壳演化特征 直至工作面，在工作面前方沿走向无支承压力峰值； 侧向实体煤沿倾向存在支承压力峰值，支承压力峰值范围距机巷下帮5 7 m 。 1 2 0 1 加1 0 0 - 9 0 却7 0 印j d 帕2 0 1 00 距工作面距离加 l 暑 i 6 1 4 t 2 _ i d 0 8 0 6 0 4 0 2 0 d 03 691 2 ui g 距机巷下帮距离，m ( a ) 走向( b ) 倾向 图1 2 侧向壳基k 值变化曲线 f i g 12t h e 七c u r v e so fm s s b a s eb e s i d eh e a d - e n t r y ( 1 ) 相对应力集中系数沿走向演化特征 综上分析可得壳基相对应力集中系数沿走向总体呈指数分布，如式( 2 1 ) ( 2 1 6 ) 所示： 煤柱侧旯基( 沿走向) ： 3 m ：j 尼刃2 1 2 4 0 1 e 乱2 2 【匕= 1 7 9 7 e 叫 5 m ： j = 1 0 2 7 踟0 0 3 ：4 k = 1 5 9 5 4 e 叫删b 风。巷侧煤体斋慕( 沿毒：向) ： 1 l m ： 1 4 m ： 1 7 m ： r 2 = o 9 6 2 6g ， 1 0 8 m ) 也 1 2 6 m ) l x 1 6 m ) ( 三， 1 6 m ) q ，1 5 2 m ) q ， 1 5 2 m ) 化2 0 2 m ) 也 2 0 2 m ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3