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摘要 无胶结假项条件下工作面项板控制研究 摘要 蒋庄煤矿3 ，3 0 2 工作面，在地质勘探报告中，未说明3 上和3 下煤层在 该位置合并成一个煤层的问题。在3 3 0 2 面回采结束圳后，就形成了其下煤 层厚度变化在2 6 m 的既无原岩直接顶板，又无假顶及稳定煤层作为顶板的3 。3 0 2 无胶结假顶工作面。 本文针对特殊地质条件下顶板控制问题，采用理论分析、相似材料试验模 拟与现场矿压监测相结合的研究方法，对无胶结假顶条件下工作面顶板控制进 行研究。从矿山压力理论的基本概念出发，定义了可控岩层、必控岩层、程控 岩层等概念，分析确定了采场上覆岩层及其运动范围。通过相似材料模拟试验， 模拟分析了浚顶板条件下开采时上覆岩层运动规律，该运动规律与理论分析结 果及现场矿压监测结果基本吻合。 从支架的基本工作参数：安全阀参数、额定工作阻力、初撑力等的分析出 发，深入细致地研究分析了“支架一围岩”相互作用关系；从定性和定量两个 方面分析了支架工作状态和支架对整个采场上覆岩层运动控制效果，在保证绝 对安全的条件下，提出了支架台理参数，找出了该顶板条件下控制岩层运动的 合理途径及有效方法，即当工作面顶板下沉量不超过9 0 r a m 时，煤皮直接顶较 完整，工作面支架处于好的工作状态。在此基础上，提出了无胶结假顶条件下 开采的顶板管理措施。本课题的研究成功对于类似条件下开采的顶板控制问题 在理论与实践上具有一定的参考价值。 关键词：无胶结假顶岩层运动支架一围岩 矿压龉测相似材料模拟 i i 型墨兰三堂盐! 堕 ! ! ! ! ! 坚! r o o fc o n t r o lr e s e a r c ho f n o n c e m e n t a t i o nf a l s er o o f c o a lf a c e a b s t r a c t c o a ls e a m3 l 1 d a n d3 d n u ni n3 d 。u 1 1 3 0 2w o r k i n gf a c eo fj i a n g z h u a n gc o a lm i n e u n i t e dt oo n es e a m ，t h i si sn o ti l l u m i n a t e di nt h e g e o l o g i c a lr e p o r t a f t e rt h e3 l l p 3 0 2w o r k i n gf a c eh a sb e e nm i n e d ，2 - 6 mn o n c e m e n t a t i o nf a l s er o o f w o r k i n gf a c e o fn oi n i t i a ls t r a t ai m m e d i a t er o o fa n dn 0f a l s er o o fo rs t e a d yc o a ls e a ma sr o o f i s f o r m e d ，i t st h i c k n e s sv a r i e sb e t w e e n2 mt o6 m a i m i n g a tr o o fc o n t r o lo f s p e c i a lg e o l o g i cc o n d i t i o n ，r o o fc o n t r o lo f n o n c e m e n t a t i o nf a l s er o o fi ss t u d i e db ym e a n so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a n a l o g i c a l m a t e r i a ls i m u l a t i o na n ds p o ts t r a t ab e h a v i o ro b s e r v a t i o n s t a r t i n gf r o mb a s i c c o n c e p to f s t r a t ab e h a v i o rt h e o r y ，c o n t r o l l a b l es t r a t a ，o b l i g a t o r yc o n t r o ls t r a t a 、p m tc o n t r o ls t r a t a , a n d s oo na r ed e f i n e d ，o v e r l y i n gs t r a t ao f w o r k i n gf a c ea n dt h e i rm o v e m e n tr a n g ei sa n a l y z e d a n dc o n f i r m e d ，o v e r l y i n gs t r a t as t r a t am o v e m e n tl a wo ft h i sr o o fc o n d i t i o ni s s i m u l a t e d a n da n a l y z e db ym e a n so f a n a l o g i c a lm a t e r i a ls i m u l a t i o nt e s t ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti s c o h e r e n tw i t ht h e o r ya n a l y s i sa n dt h er e s u l to f s p o ts t r a t ab e h a v i o r s t a r t i n g f r o mb a s i c w o r k i n gp a r a m e t e ro fs u p p o r t ：s a f e t yv a l v e ，r a t e dw o r k i n g r e s i s t a n c e ， i n i t i a l s u p p o r t r e s i s t a n c ea n ds o o i l ， i n t e r a c t i o n a lr e l a t i o no f “s u p p o r t s u r r o u n d i n gr o c k i s s t u d i e da n da n a l y z e dd e t a i l e d l y , s u p p o r tw o r k i n gs t a t ea n d c o n t r o le f f e c to f s u p p o r to f t h ew h o l eu ps t r a t al o c o m o t i o na r ea n a l y z e db o t hi nq u a l i t ya n d q u a n t i t y , r a t i o n a lp a r a m e t e r sa r eb r o u g h tf o r w a r da n dr a t i o n a la p p r o a c ha n de f f e c t i v ew a y a r e f o u n d ：s u p p o r t i si nt h eg o o dw o r k i n gs t a t ew h e nc o a l s k i no fi m m e d i a t er o o fi s i n t e g r a t e da n dr o o fs i n k a g ei s n om o r et h a n9 0 m m b a s e do na b o v ew o r k ，r o o fc o n t r o l n l e a s u r eo fn o n c e m e n t a t i o nf a l s er o o fi sb r o u g h tf o r w a r d r e f e r e n c ei so f f e r e df o rr o o f c o n t r o io f s i m i l a rc o n d i t i o nb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d s ：n o n c e m e n t a t i o n f a l s er o o ls t r a t a l o c o m o t i o n ，s u p p o r t - s u r r o u n d i n g r o c k ，s t r a t ab e h a v i o ro b s e r v a t i o n a n a l o g i c a lm a t e r i a ls i m u l a t i o n 】i f 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 名；懦矽、巷 日期： 东北夫学丁程7 研l 学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国煤炭产量居世界首位，煤炭在我国一次能源生产和消费中均占7 5 左右。 根据有关部门的预测，在未来2 0 5 0 年内，我国一次能源生产和消费以煤为主e 格局不会改变”? 。目前，我国煤矿顶板事故在整个煤矿安全事故中所占比重超过 4 0 ，每年顶板事故影响的产量约占总产量的5 。其他煤矿重大事故如冲击地压、 瓦斯及煤层突出、突水等，都与开采引起的矿山压力密切相关。与此同时，由于 矿山压力及岩层运动情况不清，控制方法不相适应，而浪费在工作面顶板管理和 巷道维护上的人力和财力更难以估计。煤矿岩石力学是一门研究因开采活动而引 起的矿山压力及其显现规律与矿山压力所涉及和影响的地质单元、地下工程结构 等研究对象间的运动和力的关系的科学。它是煤矿床开采等技术科学的理论基础 之一，其发展状况直接影响着采矿设计、开采工艺和管理水平的提高。 矿山压力及其控制是煤矿岩石力学的研究重点，支架工作阻力与整个采场 = 覆岩层运动的相互作用机理是矿山压力及其控制学科中一个最基本的理论课题。 当前矿山岩石力学研究的重要任务之一，就是要针对煤矿采场条件多变和不断推 进的工程特点，为生产现场找到简单易行的方法。能够有效地监测顶板活动规律， 判断支护工作状况和顶板的实际控制效果。长期以来，各国学者及工程专家，对 “支架一围岩”关系这一课题，进行了大量的实测和理论研究工作。我国煤炭资 源分布范围广，地质条件复杂多变，尤其是采场的顶底板条件、煤层赋存条件千 变万化，在宏观矿山压力理论指导下，研究具体顶板岩层条件下的顶板控制、工 作面开采技术对于现场煤炭资源安全、高效开采，提高技术含量等方面有重大的 意义。本文就无胶结假顶条件下工作面顶板控制技术进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 采场矿山压力国内外研究现状 煤矿顶板变形破坏规律研究的主要对象是工作面上覆岩层运动的规律，前人 至韭墨兰三堡堡! 兰篁笙兰兰二主笪堡 根据在不同煤层条件下的丌采经验，提出了相应的掩护结构模型，用以解释开采 过程中出现的矿山压力现象，设计和选择维护工作空问的支护型式及必需的反力， 这方面的研究前人已做了大量的工作，提出了很多假谠( 理论) ，解释了顶板的活 动规律”“3 ，主要有掩护“拱”假说、悬壁梁假说、以岩层运动为中心的矿山压 力理论、压力拱假说、预成裂隙梁假说、铰接梁、铰接拱假说等，其中，适用于 一般的煤层条件，具有一定历史地位和有代表性的，可以大致分为以下几类”1 ： 1 、掩护“拱”假说 掩护拱假说的基本观点是：1 ) 采动形成的工作空间是在种“拱”的结构之 下；2 ) “拱”结构承担上覆岩层的重量，通过拱脚传递到煤层及岩体上的压力及 由此在煤及岩体中形成的应力，是煤及岩层破坏的原因，也是“拱”结构本身向 外扩展的条件；3 ) 采场空间的支护结构仅承受拱内已破坏的岩重，支架是在由“拱” 的结构尺寸所圈定的破碎岩石荷重下工作一即在一定的载荷条件下工作，支架上 显现的压力大小与支架本身的力学特性无关。根据对拱的性质及形成条件的不同 解释，这类假说又可分为下列两种：自然平衡拱( 如图1 1 所示) 假说和压力拱( 如 图1 2 所示) 假说。 图i 1自然平衡拱模型 f i 9 1 1n a t u r eb a l a n c ea r c hm o d e l 2 、“悬壁梁”假说 该假、兑早在1 8 6 7 年就提出了，认为采场是在图】3 所示一系列梁( 或板) 的 掩护下，这些梁中的一部分是采空区的一端已经冒落，另- - i n 嵌固在煤层上的悬 壁粱，其余则按一端由煤壁支撑，另一端由已冒矸石支撑的连续梁工作。币是这 三呈生! 兰! 型竺二兰兰翌坠一 翌二翌堑堡 些梁随采场推进由规律的目落或折断，d 导致采场来压( 即支架上显现压力) 的 现象。由于梁的冒落和折断是有规律的，因此采场来压也是有规律的。该假c 兑简 单明了地说明了采场上覆岩层运动的规律，较好的解释了果场周期来压的现象。 图】2 压力拱模型 幽】3 息臂梁模型 pi g13c a n t il e v e r e db e a mm o d e l 3 、以岩层运动为中心的矿山压力理论 该理论从搞清矿山压力的分布和显现与上覆岩层运动问关系的基础出发，力 争掌握上覆岩层运动发展的规律，从而解决相关的矿压控制问题。该理论认为“矿 【山压力”的存在是绝对的，但是矿t 1 1 压力的显现( 包括圈岩变形、位移和破坏， 以及支架受力、下缩和折损等) 则是相对的，有条件的，因而也是可以控制的。 矿山压力显现不是静止的，它是随着采场的推进而处于不断的发展和变化的过程 至i ! 叁兰王矍婴! ! 兰些笙兰塑二! 堡堡 中，从岩层运动发展的角度来定义直接顶和老顶。 1 2 2 矿山压力理论现代力学研究成果 从力学的角度分析上覆岩层的受力情况，根据极限平衡理沦计算其破断跨距、 平衡条件等，运用现场实测、实验模拟、数值方法等手段研究了顶板应力随采动 的变化规律，得出了许多适用于不同场合的规律及理论计算力法，为煤矿的安全 生产做出了突出贡献。 胡耀青，赵阳升等”1 运用三维固流耦合模拟实验台，对带压开采条件下顶 板破坏规律进行了三维模拟，分析了煤层顶板应力位移的变化规律，解释了煤 层顶板垮落的一一系列现象，总结了顶板活动的影响因素，为采掘活动引起地表移 动的研究提供了理论参考。杨振宏，李辉”分析了采场顶板的基本破坏形式和锚 杆支护的力学过程，通过锚固关键层的力学模型分析、突变尖点模型分析、系统 缺陷模型分析，提出了采场顶板锚固关键层理论，为研究锚杆支护顶板提供了理 论依据。钱鸣高，缪协兴等”1 从研究采场支架受力特点出发，将支架与围岩视为 有机的整体。深入分析了它们之间的耦合作用，认为老顶断裂后形成的给定变形 与支架作用力无关，而与采空区处理方法与采高等有关，支架承受的给定变形压 力则与直接顶的整体力学性能有关，并反比于直接顶( 含顶煤) 厚度a 。从而 在理论上进一步揭示了支架工作阻力与顶板下沉量之间的关系。 在采场矿山压力研究中，支架受力来源和受力的大小，一直是人们关心的课 题，传统的研究认为：采场支架载荷来源于受采动影响的直接顶岩柱重量和老顶 来压时的动载，且严格正比于采高。但随着人们对综放工作面采场矿压的测定， 发现在同样覆岩结构条件下，综放开采的支架工作阻力大大低于按上述计算公式 所获得的结果。这是传统理论无法解释的现象，因而必须对采场支架与围岩的相 互作用展开深入的研究工作，进一步解决采场一支架载荷的确定方法。刘氏友、钱 鸣高等3 把采场直接顶看成可变形介质，对采场支架阻力与顶板下沉量关系进行 研究，分析了直接顶变形破坏的特征，根据采场直接顶的承载能力将其分为非承 载区，承载区和弱承载区，提出了采场直接顶刚度的概念及其计算方法，认为在 采场支架围岩系统中，由于直接顶介质的影响，支架阻力并不能限制老顶的最终 位念，支架工作阻力和顶板下沉量的关系是老顶给定变形条件下支架和直接顶作 用的结果。高峰、钱鸣高等3 根据“砌体梁”理论，分析了上覆岩层破断以后仍 墨! ! 尘! 羔：堡型! ：兰竺堡兰 兰二兰堑鲨 可以形成能够承受载荷的稳定岩体结构，因此老顶通常以给定变形的形式作用于 直接顶，这使得在老顶给定变形下直接顶成为个混合边界条件的复杂力学问题： 同时根据“砌体梁”理论的支架一围岩整体力学模型，运用能量变分法对老顶给定 变形情况下直接顶的变形进行了初步求解，进而探讨了顶板下沉量、支架工作阻 力、直接顶高度、弹性模量以及老顶回转角之间的相互关系。 代高飞，尹光志等“3 通过对工作面顶板的分形研究，得到了陔工作面的分维， 说明分维能充分反映顶板活动，为科学的预报项板来压提供了一种新方法。张树 光、张向东等3 采用离散元方法，分析了当荷载、岩体的摩擦角、锚杆i b j 距、锚 杆方向和岩体的性质变化时顶板的稳定性。在分析的过程中，建立了水平层状， 正交节理型顶板模型。结果表明，对于锚固型顶板和未锚固型顶板，其破坏机理 是不同的。范韶刚，闫少宏等”在确定综放支架工作阻力的理论分析基础上，提 出了影响支架工作阻力的主要因素，根据现场实测数据，回归出了综放工作面支 架工作阻力的计算公式，并用现场实例进行了验证。张定洋”“分析了采场项板事 故与支架性能之间的关系，指出了为防止顶板事故的发生，支架应具备的基本性 能，提出了液压支架工作阻力、初撑力、可缩量的确定方法。曹胜根“7 1 运用试验 相似材料模拟、数值分析、理论分析等方法，对采场支架一围岩关系中的老顶砌体 梁结构的“s r ”稳定条件，直接顶岩层的破断角，直接顶变形破坏特征，直接顶 内的应力场、位移场分布特征，采场支架工作阻力一围岩下沉量关系等进行了细 致深入的研究，在此基础上建立了采场围岩整体力学模型，给出了支架临界工作 阻力的确定方法。曹胜根，钱呜高等1 运用数值计算方法分析了采场不同高度直 接顶的变形破坏特征，提出直接顶的“i 临界高度”h 一的概念，将直接顶按临界高 度进行分类，指出当直接顶高度y h h ，时，不能单纯以顶板下沉量来判别项板 是否稳定，而要综合考虑端面顶板的稳定性，在此基础上提出当y h h 。时确定 支架支架工作阻力应注意的问题。方学秋，钱呜高等”们从端面顶板稳定性控制角 度出发，应用数值模拟离散元方法分析了不同顶煤条件下端面顶板稳定性与支架 工作阻力及端面距的关系，模拟结果表明：在软及中硬煤条件下，端面距一定范 围内，支架工作阻力p 与端面顶板下沉量f ，为类双曲线关系，而硬煤条件下没有 类似关系，由此给出了不同顶煤条件下支架工作阻力的计算方法，认为在软及巾 至坐丛兰三翌里! 兰些堡兰 一笙二翌堕丝 硬煤条件下可以利用j p 一。，关系曲线柬确定支架临界工作阻力，而传统的支架工 作i ；t _ x 确定方法适合于硬煤条件，并从实测数据中验证了该结论。彭苏萍等通 过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层，在采动影响下，顶板岩体变 形破坏和矿压分布规律。结果表明，在采动影响下，断层“活化”，断层带及其影 响范围内的岩体破碎，表现为周期断裂步距小，冒落带高，尤其是断层下盘，顶 板稳定性差。赵兴东等”“应用东北大学丌发的岩石破裂过程分析系统，对开采浅 埋煤层引起的覆岩顶板破断动态过程进行了数值模拟研究，揭示了浅煤层丌采过 程中覆岩破坏的冒落带、裂隙带、弯曲带及矿压分布、地表变形的基本规律；实 例模拟得出的地表下沉值与实际观测结果基本吻合。李士龙“。运用薄板塑性极限 理论分析煤巷锚杆支护机理，计算了煤巷顶板的极限破断荷载，为在实际运用中 确定煤巷锚杆支护参数提供了依据。李正昌等”介绍了在自然再生顶板“三软， 煤层条件下的高档普采工艺，分析了自然再生顶板生成条件、工作面支护密度及 端面距、支柱钻底的控制措施。 1 3 矿山压力研究中常用的方法m l 、数学力学分析方法 数学力学分析方法是将天然岩体做某些简化处理。采用相关的力学理论分析， 或采用有限元、边界元、离散元等数值计算方法借助计算机进行分析计算，或采 用概率论、数理统计等纯数学的方法分析研究实测数据的规律性。数学力学分析 方法的模型建立往往依赖实验研究，其研究结果也要由现场监测来验证。数学力 学分析方法可以从理论上深入研究分析矿山压力机理和变化规律，进行计算预测， 为现场监测提供必要的依据和参考指标。 2 、相似材料模拟试验方法 4 ，1 1 似材料模拟以相似理论和园次分析为依据，采用人工材料代替天然岩体， 制成模型后进行开采活动的模拟实验。采用的材料为相似材料、光学材料、砂子 材料及石蜡材料等。根据力学边界的不同，模拟实验可分为平面应力模型、平面 应变模型、立体模型和离心模型等。在模型上可以模拟丌采时二 作面或巷道围岩 内的应力，变形位移及模型支架的受力变形等。相似材料模拟实验可以人为控制 变：! 苎鲎王型! 兰羔些堡兰 塑二主竺! ! 和改变实验条件，从而可确定单因素或多因素x , r 旷山压力影口闸的规律。试验效果 清楚直观，试验效果清楚直观，试验周期短、见效快。模拟实验方法实际上是将 现场复杂多变因素简化后在实验室内再现，带有一定的主观性，是在某种假定理 论指导下进行的。 3 、现场监测方法 矿l h 压力监测就是利用矿压仪表实测采场及巷道的围岩应力分布特征、围岩 变形、位移、顶底板破坏特征、支架荷载及压缩等一系列矿山压力显现，采用合 理的数学方法对各种矿l i _ i 压力显现监测信息进行分析，总结采场及巷道矿压显现 规律，预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题。同时，在汇总 大量监测数据与资料的基础上，总结出矿山压力的普遍规律，促进矿l l l 压力理论 研究的发展。由于采场推进过程中地质条件、岩层运动、矿压显现都处在一个不 断变化的过程中，通过现场的矿山压力显现监测、分析和预报，= = j 能作出围岩控 制的科学决策。此外，我国煤矿地质条件、丌采状况、控制技术手段具有多样化 的特点，现场实测研究己成为解决具体矿压问题的主要依据。 1 4 本课题研究的主要内容及方法 本课题为特定条件下的顶板控制研究，主要研究内容及方法为：通过理论分 析、现场矿压实验室相似材料模拟试验和现场矿压观测等对无胶结假顶条件下采 场支架一围岩关系、上覆岩层的组成方式、直接顶( 老顶) 的运动特征、参数等以 及对应该特定条件的顶板管理措施进行较深入的分析。 东北夫学工程颂l 。学位论文第二帝 尢股绍假项t 作血副件眭沦分忻 第二章无胶结假顶工作面 矿压理论分析 2 1 矿山压力理论研究的目的、基本问题 矿山压力研究的目的，是为了揭示矿山压力分布及其显现与岩层运动的 基本规律，确定具体地质与开采条件下的特征参数，建立采场和巷道支架与 围岩相互作用关系，进行采场和巷道围岩控制设计，确保矿井建设和生产中 的围岩控制这一重要环节取得安全、合理、经济、高效的效果。它对于合理 开采煤炭资源，促进矿井安全生产和正常生产，提高经济效益等多方面具有 重大的理论意义和现实意义，是采矿工程理论发展，开采技术进步和高产高 效矿井建设的需要。 矿山压力研究的基本问题，主要是研究采场和巷道周围岩体内，由于地 下开采活动引起的应力作用，发生变形破坏的稳定性特征；以及保持其相对 稳定的控制技术。天然岩体是带有一定概率性的地质体，具有明显的不连续 性、非均质性和各向异性，受力作用后变形破坏的力学特性极为复杂。地下 开采活动引起应力重新分布，矿山压力研究所面对的介质结构与特性、围岩 变形、破坏与运动、支架围岩相互作用关系等都是随地质条件和采动状况而 变化的。 对整个采场上覆岩层来说，按其与煤层的相对位置关系，不同位置上岩 层的岩性与力学性质及其运动特征将其划分为伪顶、直接顶、老顶及整体弯 沉带岩层。而从组成覆岩的各岩层因自重而产生运动被支架控制的角度出 发，我们又将整个采场上覆岩层划分为可控岩层及不可控岩层。可控岩层又 有必控岩层、程控岩层所组成。必控岩层就是我们所说的直接项岩层，程控 岩层也就是我们所说的老顶岩层及间接顶岩层所组成。 在一般情况下，两个煤层之删都会存在一层或几层夹矸岩层，厚度不等。 但在某些特殊一隋况下，煤层与煤层之间的夹矸缺失而合并成为一个煤层，如 蒋庄煤矿3 上煤层与3 下煤层之f 白j 存在一层央研岩层，厚度一般变化在l 5 r 东北人学t 程硼卜学位论史 笙兰主茎- 些量堡婴! 堑堕! 盐：堡堡坌堑 其3 上与3 下煤层之间的夹矸 3 0 m 左右。但在该矿南三采区的3 0 2 工作面 缺失而合并成为一个煤层，而在地质勘探报告中，又未说明煤层在该位嚣合 并成一个煤层的问题。因此在3t ：3 0 2 面回采结束以后，就形成了其下煤层 厚度变化在2 6 m 的既无原岩直接顶板，又无假顶及稳定煤层作为顶板的3 - 3 0 2 无胶结假顶工作面。对于这种顶板条件的工作面回采，既无开采先例 经验可借鉴，又无陔条件下覆岩运动规律理性认j = 的指导，因此摸清陔顶板 条件下，工作面在回采过程中，整个采场上覆岩层运动所显现出来的运动特 征及规律，支架工作阻力与整个采场上覆岩层运动的作用机理，对保证该工 作面顶板管理决策的正确性，以及对指导在该特殊开采条件下顶板控制实践 活动，无疑都具有十分重要的意义，同时它为今后在此种顶板条件下的丌采 提供借鉴和参考。 为此，我们以该条件下的工作面为研究对象，剥于其整个采场上覆岩运 动规律及控制特征进行研究，以探讨在该顶板条件下。支架工作阻力与整个 采场上覆岩层运动的作用机理。并对整个采场上覆岩层组成方式、运动范围、 支架合理额定工作阻力、合理初撑力、支架工作状态及其顶板岩层运动控制 效果做出定性和定量解释，提出该顶板条件下控制岩层运动的合理途径和方 法。 2 2 采场上覆岩层的确定 2 2 1 采场上方必控岩层( 直接顶岩层) 的确定 采场上方必控岩层就是直接项岩层。所谓直接顶岩层就是指位于煤层之 上或伪顶之上的能够采取不规则垮落运动方式的岩层叫必控岩层即直接顶 岩层。因此直接顶岩层它必须满足下列四个条件： 1 、位置条件，它必须位于煤层或伪顶之上。 2 、自由运动的空间条件，必控岩层自由运动空间是采空空问。 3 、岩性及赋存条件，作为直接顶岩层它力学性质较差，松软破碎或比 较松软破碎，层理及节理裂隙发育，完整稳定性差。 4 、运动条件，采取不规则且杂乱无章的垮落运动方式，它的块度较小， 其沿推进方向长度小于循环进度，沿工作面长度方向宽度小于支架宽度。 东北凡学丁程碱1 学位论文 帮一青 无腔结似顶t 作皿矿压理论分析 此条件下无胶结假顶丌采两层煤基本上合并成了一层煤，浚直接顶岩层 随采随冒，垮落矸石能充满整个采空空间，其垮落厚度为： m + h 。+ h 。：= k 。，h 。4 - k 、h 。( 21 ) 式中： 柳一煤层采高，m ； 一煤层的垮落厚度，m ； h 。一再生顶板垮落厚度，m ： 女。一煤层垮落碎胀系数k 。，= 1 2 0 ； 。一再生顶板垮落碎胀系数k 。= 1 3 。 2 2 2 采场上方程控岩层( 老顶岩层) 的确定 采场上方程控岩层即老顶岩层，就是指直接顶或煤层以上那些厚度较大、 强度较高，运动时出现周期性裂断，而裂断断块又能因自重绕前端产生转动 下沉运动的岩层。因此老顶岩层也必须得满足如下四个条件： 1 、位置条件：位于直接顶岩层或煤层之上。 2 、自由运动的空间条件。它的自由运动空间是经直接顶垮落碎胀充填采 空空间之后所剩余的空问。如采场上方直接顶岩层经垮落碎胀能够充满整个 采空空间，这说明采场上方根本就不存在老顶岩层，而采场上方直接顶岩层 以上的所有岩层就都成了不可控岩层。只有当采场上方直接项岩层经垮落碎 胀后不能充满整个采空空间，使采场上方老塘断块末端存在自由运动空间 时，老顶岩层才存在，这时发生裂断的老顶岩层断块才能在自重作用下，以 前端下面的煤岩体为支点，绕该支点转动下沉而产生来压运动。 3 、岩性赋存条件。它应该是力学性质好或比较好，且完整稳定并具有较 大厚度的岩层。 4 、运动条件。它是周期性裂断运动方式，因此它沿推进方向的运动跨度 应是几个循环、十几个循环，甚至几十个循环的进尺，沿工作面长度方向的 运动宽度应是几架或几十架支架的宽度。 由此看出，它的存在与否是咀其后端有无自由运动空间为前提条件的。 l n 当邕接顶以上的岩层术端存在自由运动空间，而且在该岩层失去其下煤层或 支架对其困自重运动的控制能力时，它就在自重作用下，以其前端下面的煤 岩体为支点产生绕该支点的转动下沉而对采场造成矿压显现，而且该岩层周 而复始的进行这种运动，这就说明采场上方存在着老顶岩层。当煤层采高以 上的煤岩层组成的直接项岩层是充分厚度的直接顶岩层，垮落部分的直接顶 岩层，经垮落碎胀后己充填满整个采空区空制，使得该垮落的直接顶岩层以 上岩层己不存在自由运动空间时，该岩层就不会产生周期性的来压运动，而 是与其上整个采场上覆岩层一起在自重的作用，通过压实其下垮落的直接顶 岩层所形成的岩块做整体的不可控运动，而使直接顶以上整个采场上覆岩层 过渡成了不可控岩层。这就说明采场上方已经不存在老顶岩层了。 2 2 3 采场上方不可控岩层确定 采场上方不可控岩层指的就是地表以下直接顶或老顶以上那些已不存在 自由运动空间且采取整体运动的岩层，它一般位于老顶岩层之上，在采场上 方直接顶岩层充分厚时，它就位于直接顶之上，有时还直接位于煤层之上。 因此，对采场上方的不可控岩层来说，它应满足如下三个条件： 1 、位置条件，地表以下，老顶或直接顶或煤层之上。 2 、运动条件，整体弯沉运动。 3 、运动空间条件，其下自由运动空间高度小于或等于不可控下沉量。 采场上方不可控岩层指的是地表以下直接项或老顶以上那些已不存在 自由运动空间且采取整体运动的岩层。直接顶岩层得不到充分的垮落，从而 使它上面未垮落的岩层的运动得到了垮落矸石的控制，也就是说使直接顶以 上所有岩层已不存在自由运动空间，实现了整体的同步弯沉运动而成为不可 控岩层。因此说直接顶以上一直到地表的所有岩层就是不可控岩层。 在整个采场上覆岩层组成中，它不存在老顶岩层，即程控岩层。而采场 上方只存在着直接顶岩层( 即必控岩层) 和不可控岩层。 2 3 采场上覆各岩层运动范围确定 2 3 1 采场上方必控岩层的运动范围 至j ! ! ：兰三。! ! 塑 兰垒堡兰笫一审尤胶结似顼丁作面矿肤理论分析 由于采场上方必控岩层即直接顶岩层是采取垮落的运动方式，所以必控 岩层垮落运动沿法线方向运动范围就是其垮落厚度。而其垮落运动沿推进方 向运动范围就是工作面的控顶距。 由于采场上方不存在程控岩层，所以它也就不存在程控岩层运动范围确 定的问题。 2 3 2 不可控岩层运动范围的确定 不可控岩层的运动方式为整体弯沉的运动方式，它在工作面上所形成的 不可控下沉量s n 为5 0 6 0 m m 。在沿工作面推进方向上，煤层上原始应力固 定端与弹性极限固定端之间所对应的不可控岩层的变形为弹性变形，弹性极 限固定端以外及采场附近的不可控岩层的变形为弹塑性变形，采场后部的不 可控岩层为粘弹流变及粘流变变形。 不可控岩层的运动厚度可按下式计算： h b = h hk = h h ：一h r ( 2 2 1 式中： h 。一采场上方不可控岩层运动厚度； i 煤层埋藏深度； h 。一可控岩层运动厚度。 h ，一老顶岩层厚度。 n k = h ：+ h ， 不可控岩层的运动垮度取决于不可控岩层的力学性质、赋存条件及工作 面推进速度。 2 4 无胶结假顶工作面矿压理论应用 蒋庄煤矿3 ，3 0 2 工作面是典型的无胶结假顶工作面。因此在3i3 0 2 面 回采结束以后，就形成了其下煤层厚度变化在2 6 m 的既无原岩直接顶板， 又无假顶及稳定煤层作为顶板的3 。3 0 2 无胶结假顶工作面。 从煤岩层综合柱状图2 1 看出：该煤层在此位置存在两层夹矸、其厚度 之和也只有0 5 6 m ，都是泥岩，在矿压观测范围内，该3 上与3 下煤层基本 1 东北人学工程硐卜学位论艾犁二币无歧结1 岜t 作回矿什理论分析 上合并成了一层煤，煤层厚度平均达l0 6 m 。而其上有一层泥岩伪顶，厚度 约0 5 m ；再向上就是12 6 9 m 厚的中砂岩，该岩层系灰白色的长石石英中细 砂岩，它为泥质胶结，裂隙发育，裂隙面有擦痕，层理为近水平层理。这层 直接顶岩层虽为中细砂岩且较厚，但由于它为泥质胶结、节理裂隙及层理发 育，所以该岩层就成了3l3 0 2 工作面的直接顶岩层，该直接顶岩层的垮落 碎胀系数k 。= 1 3 6 6 。经它垮落碲胀后，能充满3 3 0 2 ：作面的整个采空空间， 它的跨落厚度为= 亡备= 罴= 6 ，3 卅，该垮落厚度仅为该岩层厚度的1 2 ，所以说3t3 0 2 工作面直接项岩层为充分厚的直接顶岩层( 如图2 2 所 示) 。因此，3 ，3 0 2 工作面的直接顶岩层即必控岩层就是3i3 0 2 和3 。3 0 2 工作面采过后所剩余的2 6 m 厚煤层与3 。3 0 2 面采过后的中砂岩直接顶板 经垮落压实后所形成的再生顶板及其尚未垮落的中砂岩。因此，3 ，3 0 2 工作 面的直接顶由三个岩层所组成，其总厚度为8 3 1 2 3 m 。 当顶煤厚度为6 m 时，再生直接顶垮落厚度为： 7 m ，而顶煤厚度为2 m 时再生直接顶垮落厚度为6 3 m 。由此看出再生顶板的垮落厚度h 。：3 7 m 6 3 m 。而顶煤垮落厚度为2 6 m ，则顶板垮落总厚度h ：为： 当顶煤厚6 m 时：h ：= h 。：+ h ，： = 6 + 3 7 = 9 7 m 当顶煤厚2 m 时：吃= h ，：+ h 。 = 2 十6 3 m - 8 3 m 由此看出：该直接顶岩层为充分厚度直接顶岩层。 由于由煤层采高以上的煤岩层组成的直接顶岩层是充分厚度的直接顶 岩层，垮落部分的直接顶岩层，经垮落碎胀后已充填满整个采空区空间，使 得该垮落的直接顶岩层以上岩层已不存在自由运动空州，所以对于3 r3 0 2 工作丽来讲，它就不存在程控岩层即老顶岩层。 东北凡学工程硕卜学位论定 第二章无胶结假顶t 作面矿胜理沦分析 幽恻 岩层厚度( 1 1 1 ) 一 19 麓警嚣薹熏篱冀s s 砂泥岩 细砂岩 砂泥岩 中砂岩 砂泥岩 15细砂岩 图21 煤岩层综合柱状图 f i 9 2 1i n t e g r a t eh i s t o g r a mo f c o a la n dr o c k 破碎直接顶 图2 2 上覆直接顶岩层组成 f i 9 2 2s t r a t af o r mo f i m m e d i a t er o o f 采场上方不可控岩层指的是地表以下直接顶或老顶以上那些已不存在 4 竺攀一 红 变! ! 盔兰! 堡! 翌! ：兰些笙兰 笙= 主垄些竺坚! 丝! 生蜜竺! 羔型笙坌塑 自由运动空间且采取整体运动的岩层。3 r3 0 2q - 作面的直接顶总厚度为 8 3 1 2 3 m ，而其垮落厚度是8 3 9 7 m ，直接顶岩层得不到充分的垮落， 从而使它上面未垮落的岩层的运动得到了垮落矸石的控制，也就是说使直接 硕以上所有岩层己不存在自由运动空间，实现了整体的同步弯沉运动而成为 不可控岩层。因此说该面直接顶以上一直到地表的所有岩层就足不可控岩 层。 根掘以上的理论分析，可知必控岩层垮落运动沿法线方向运动范围就是 其垮落厚度，即8 3 9 7 m 。而其垮落运动沿推进方向运动范围就是工作面 的控顶距，即4 4 m 。根据不可控岩层的运动厚度公式计算得不可控岩层的 厚度变化在2 3 0 2 4 0 m 之间。 筇三章光胶结膨顶工作面开采的相似利料模拟试验分析 第三章 无胶结假顶工作面开采的 相似材料模拟试验分析 地下工程围岩稳定性问题是极为复杂的力学问题，围岩的破坏往往是多种 复杂相互作用的结果，人们观察到的围岩变形破坏状态是多种因素共【可作用的 结果。但是，在一定条件下巷道顶板破坏机制是确定的，寻找这种机制的有效 方式就是了解和分析顶板的变形破坏过程。现在模型实验已经成为人们广泛接 受，并被公认为当今科技世界的5 大研究方法之一，它与其他4 种研究方法( 即 经验法、半经验法、理论解析法、数值仿真法) 相比，其显著特点是兼顾了理 论研究与工程实践两方面，使之相辅相成m 。 。 3 1 相似材料模拟试验方法概述 相似材料模型实验的实质就是根据相似原理，将研究区范围内的煤系岩层 按一定比例用相似材料制成模型，在满足相似的边界条件和初始条件下，对模 型中的“煤层”进行“开采”，在相应的时期内造成相似的矿山压力现象，通 过量测和分析其规律，由模型的变形破坏情况来推断实际煤系岩层在开采时所 发生的变形情况，为有关开采决策服务。在工程地质力学模型”实验中，由于 采用的几何相似比例比较小，就要求材料的强度比较低，为满足应力相似条件， 一般选择重度比较大的材料，当重度相似系数c 。接近l 时，应力相似系数即等 于几何相似系数。 相似模拟试验成功与否常取决于模型与原型相似条件满足程度。相似模拟 试验就是要用和原型力学性能相似的材料，按照一定的几何比例模拟岩体及矿 脉，并进行开采，在满足相似的边界及初始条件下，在相应的时期内造成相似 的矿山压力现象，通过测量和分析其规律，以期改善采掘工艺，防止事故，选 择开采方法及改进途径。在规划模拟试验时，遵守相似条件，按照物理现象相 似的要求，模型与原型之间应满足下列基本相似条件，下列式中参数上标为 ( ”) 者为模型参数，而上标是( ) 者为原型参数。 6 东北大学工程硼一j 学位论文第三币尢胶结假顶工n 碰开采的相似利料桓拟试验分析 l 、几何相似冬：r _ ，2 。：c z 1l ， 2 、运动相似 吾= 罟= c ， 3 、应力相似 c 。= c ，c ， 4 、动力相似，= 坍皇： 由此可推出：粤= 萼：c 。：c ，c ? c l tm ”聊： 。 5 、外力相似 c ，= c ，c ? 3 2 试验方案的确定 l 、根据3 。3 0 2 工作面条件及试验要求，将模型比例定为1 ：10 0 。 2 、模型在平面应力模型架进行，模型尺寸为长宽高= 2 o m 0 2 m 1 2 m 。这样模拟实际高度为1 2 0 m ，1 2 0 m 岩层以上覆岩压力采用外力补偿法来 实现。 3 、压力传感器及位移传感器布置( 如图3 1 所示) 。 补偿压力 fjii；ii 【l iiitf t tl 顶板岩层 f i ) = 移传感器 压力传感器 煤层 l ， ， ，、 nn 、 l底扳岩层 图3 i压力及位移传感器在模型中的布置图 东北人学丁j = 呈砸l 学位论文第二章无峻结假顶t 作血开采的相似材料模拟试验分析 4 、模型模拟的各岩层的相似材判强度及厚度如表3 3 所列，煤岩层综合柱 状图如图3 。2 所示 表31相似材料强度及厚度表 t a b l e 3 1i n t e n s i t ya n dt h i c k n e s so fa n a l o g i c a lm a t e r i a l 岩层名称原岩强度模型强度原岩层厚度模型岩层厚度 m p ak p amm m 砾岩 7 l4 8 57 97 9 0 红色砂岩 5 43 6 71 91 9 中砂岩 7 55 105 。8 5 8 砂泥岩 4 l2 7 9141 4 0 细砂岩 5 8 4 6 2l1 0 砂泥岩 4 12 7 92 52 5 0 中砂岩 7 55 l o 5 45 4 泥砂岩 4 1 2 7 92 l2 10 粉砂岩 5 53 7 41 1 6 1 1 6 中砂岩垮落带 3 92 6 5 1 2 6 912 6 9 岩石再生顶板 煤层 2 0l3 54 8 4 0 8 0 泥岩 3 52 3 8 2 9 82 9 8 砂泥岩 4 12 7 9 1 515 细砂岩 6 84 6 2 4 54 5 3 3 试验过程 首先按照模型设计和相似材料配比进行铺设模型，在铺设相似材料同时， 按设计要求将压力传感器布置好。两天后待胶结材料石膏、碳酸钙初凝后，拆 开模板。此时按设计要求布置位移传感器，并将位移传感器和压力传感器一起 连接到7 v 0 7 数掘巡回检测仪上。待模型干燥7 天后，对模型体进行应力补偿 加载后，再进行工作面的开采，此时模型原始状态如图3 ，3 所示。 东北大学丁程硕+ 学直论义 第兰章无胶结假顶工作面开采的丰月似材料模拟试验分析 图例 岩层厚度( m )岩层名称 7 9 砾岩 t l9 红色砂岩 58 中砂岩 砂泥岩 d “j 7 o ? 1 4 卜o oo 1细砂岩 卜，。：0 1 7j 2 5 砂泥岩 l 5 4中砂岩 2 l 砂泥岩 1 1 6 粉砂岩 中砂岩垮落带 鹾帮岩岩岩卓车甜1 26 9 岩石再生顶板 4 8煤层 2 9 8泥岩 l i5砂泥岩 ：。- ? 。4 4 5细砂岩 图3 3 模型原始状态图 f i 9 33o r i g i n a ls t a t eo fm o d e 1 9 变j ! 尘堂三堡竺：! 兰篁笙苎 翌三量垄鉴堑堡! ! 三垡雪：! 鲞堕塑! ! 型型堡型兰鳖竺堑 图3 4 所示的模型1 模拟了顶煤厚度为6 m 时开采覆岩运动情况。由图看出， 不仅顶煤得到了充分的垮落，而且煤层之上的再生顶板还垮落了一部分，通过 压力和变形传感器测定，工作面前方i m 位置压力及变形曲线如图3 5 及图3 6 所示。由曲线看出，工作面f j i 方煤体上的压力及变形变化幅度不大，而是稳定 在某一常数附近。这就充分说明了本工作面在采煤过程中无周期来压现象，这 也就是说，采场上方不存在老顶岩层，当然它也就不存在老顶断块的周期运动 而对采场造成的周期束压现象。该采场之所以不存在老顶岩层，就是因为采场 上方顶煤及部分再生顶板经过充分的垮落后，而将整个采空空间充填实，从而 使垮落带以上的整个覆岩实现了同步运动而过渡成了不可控岩层( 即整体弯沉 带岩层) 。这说明整个采场上覆岩层由不可控岩层与可控岩层中的必控岩层( 即 直接顶岩层)