（采矿工程专业论文）灵武矿区2lt＃gt煤层综放开采覆岩结构研究.pdf

论文题目：灵武矿区2 群煤层综放开采覆岩结构研究 专业：采矿工程 硕士生：侯树宏 指导教师：柴敬 崔洪明 摘要 宁东是我国建设的1 3 个亿吨煤炭基地之一，目前煤炭产量主要来自灵武矿区2 0 煤 层，随着灵武矿区综放开采技术的发展，促使我们对该矿区2 4 煤层综放开采上覆岩层结 构进行研究。研究综放工作面上覆岩层结构，对认识综放开采上覆岩层垮落形式、加强 工作面顶板管理、指导现场生产具有一定的现实意义。 本文针对灵武矿区磁窑堡二矿c 1 4 2 综放工作面工程地质条件，在上覆岩层结构理 论分析的基础上，基于现场监测、数值模拟实验、相似材料模拟实验和理论计算方法对 综放开采上覆岩层结构及其破断规律进行了研究。通过现场监测，从走向和倾向两个方 面对矿压规律进行了分析。利用r f p a2 d 数值模拟方法对综放工作面开采过程进行了 模拟，对顶板结构、顶板垮落过程及地表移动规律进行了分析。利用物理相似模拟实验 对综放工作面支架上方小结构进行研究，并进行了理论计算。 研究表明，灵武矿区2 “煤层综放开采矿压规律明显，动载系数较低，工作阻力高于 一般综放工作面。综放开采上覆岩层存在着压力拱结构，工作面支架工作阻力来自于压 力拱内部岩石相互作用和拱趾压力。提出主压力拱的概念，确定了主压力拱初次破断前 后拱顶变化趋势线，拱趾( 支承压力) 受力状况及移动规律。沿工作面倾向矿压显现特 点明显，周期来压时工作面中部压力最大，非来压期间压力峰值向两侧转移。压力拱内 部小结构为梁式结构，直接顶和老项初次垮落应属固支梁结构，周期破断应属简支梁结 构，直接顶垮落两次，老顶垮落一次，并对梁式结构进行了理论验证。 关键词：2 “煤层：综放开采；顶板结构；破断规律；压力拱 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h eo v e r b u r d e ns t r u c t u r eo ff u l l ym e c h a n i z e d c a v i n gf a c ei nn o 2c o a ls e a mo fl i n g w uc o a l f i e l d s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：h o us h u h o n g i n s t r u c t o r ：c h a ij i n g c u ih o n g - r u i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 出丝均 ( s i g n a t u r e ) 么丛塑驾 v ( s i g n a t u r e ) n i n g d o n gi so n eo ft h et h i r t e e nh u n d r e dm i l l i o nt o nc o a lb a s e si no u rc o u n t r y , t h ec o a l p r o d u c t i o ni sm a i n l yf r o mn o 2c o a ls e a ml i n g w uc o a lf i e l d ，w i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n t o f t h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei nl i n g w uc o a lf i e l d ，t h es t r u c t u r eo ft h eo v e r b u r d e no ft h e f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eh a sb e e nd e e p l ys t u d i e d t h es t u d yo ft h es t r u c t u r eo ft h e o v e r b u r d e no ft h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei ss i g n i f i c a n tf o ru n d e r s t a n d i n gt h ec a v i n g f o r mo ft h eo v e r b u r d e n , s t r e n g t h e n i n gt h em a n a g eo ft h er o o fa n dg u i d i n gf i e l dp r o d u c i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i so ft h eo v e r b u r d e ns 觚c t u r e ，c o n t r a p o s et ot h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei nn o 2c i y a o b a oc o a l m i n eo fl i n g w uc o a l f i e l d ，、i t i lf i e l dm o n i t o r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t ee x p e r i m e n t s ，s i m i l a r m a t e r i a ls i m u l a t i o nt e s t sa n dt h e o r e t i c a lc o m p u t i n gm e t h o d s ，t h es t r u c t u r eo ft h eo v e r b u r d e n i ss t u d i e d w i t ht h ef i e l dm o n i t o r i n go fu n d e r g r o u n dp r e s s u r eo ft h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n g f a c e ，a b u n d a n to r i g i n a ld a t ai so b t a i n e d ，t h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r ei ss u m m a r i z e da l o n gs t r i k e a sw e l la sa l o n gd i pd i r e c t i o n w i mr f p a 2 dn u m e r i c a ls i m u l a t i n gm e t h o d t h ec o a lm i n i n g p r o c e s si sm o d e l e d ，a n dt h er o o f 栅眦，r o o fc a v i n gp r o c e s sa n ds u r f a c em o v i n gi s a n a l y z e d w i t hp h y s i c a ls i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i n ge x p e r i m e n t ，t h es m a l ls t r u c t u r ew i t h i nt h e v a u l t e db i gs t r u c t u r ea b o v et h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei ss t u d i e d t h es t u d ys h o w s ，u n d e r g r o u n dp r e s s u r eo ft h ef u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eo fn o 2c o a l s e a mi nl i n g w uc o a lf i e l di ss i g n i f i c a n t ，t h ed y n a m i cl o a df a c t o ri sq u i t el o wa n dt h ew o r k i n g r e s i s t a n c ei sb i g g e rt h a no r d i n a r yf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e t h e r ea r ep r e s s u r eb a l a n c e a r c hs 住u c n l i - e si nt h eo v e r b u r d e nw i t ht h ea d v a n c i n go ft h ec o a lf a c e t h ew o r k i n gr e s i s t a n c e o ft h es u p p o r t sa r ef r o mt h ei n t e r a c t i o no ft h er o c k sw i t h i nt h ep r e s s u r ea r c ha n dt h ep r e s s u r e o ft h ea r c hs p r i n g t h em a i np r e s s u r ea r c hc o n c e p ti sp r o p o s e d ，a n dt h er e l a t i o no ft h ea r c h h e i g h ta n df a c ea d v a n c i n gd i s t a n c eb e f o r ea n da f t e rt h ef i r s tb r e a k i n go ft h em a i np r e s s u r e a r c ha n dt h es t r e s sa n dm o v i n go fa r c h s p r i n gi s d e t e r m i n e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r g r o u n dp r e s s u r eo fc o a lf a c ea l o n gs t r i k ei ss i g n i f i c a n t ，t h em i d d l eo ft h ef a c eh a st h e m a x i m u mp r e s s u r ed u r i n gp e r i o dw e i g h t i n g ，t h ep r e s s u r ep e a kt r a n s f e rt ot h et w os i d e sa t o t h e rt i m e s t h ei n t e r i o rs m a l ls t r u c t u r eo fp r e s s u r ea r c hi sb e a ms t r u c t u r e ，t h ef i r s tc a v i n go f t h ei m m e d i a t er o o fa n dm a i nr o o fa r ef i x e d e n d b e a ms t r u c t u r e s ，a n da r es i m p l y - s u p p o r t e d - b e a ms t r u c t u r e sd u r i n gp e r i o db r e a k i n g ，t h ei m m e d i a t er o o fc a v i n gt w i c ea n dt h em a i nr o o f c a v i n go n c e ，t h eb e a ms t r u c t u r ei sp r o v e dt h e o r e t i c a l l ya tl a s t k e y w o r d ：n o 2c o a ls e a mf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n g r o o fs t r u c t u r e r u p t u r e p a t t e mp r e s s u r ea r c h t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 姿玲技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 、 学位论文作者签名：住姑协日期：加穷b , b 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 ， 学位论文作者签名：谨描k 指导教师签 日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 、8 0 年代在借鉴国外综放开采的基础上，我国迅速发展起了综放开采技术，经过2 0 多年的实践、完善与提高，因其具有高产高效、安全状况好、成本低、投入产出效果好， 目前综放开采技术已成为厚煤层主导的采煤方法。综放开采实现了采放平行作业，一次 开采完厚煤层，真正实现了厚煤层安全高效开采。 采场顶板结构是采矿界研究的古老课题，长期以来，各类煤炭研究院所对很多煤矿 的顶板结构进行了研究。在综放工作面由于一次性采厚大，支架受力受顶煤影响等因素 影响，和综采工作面上覆岩层结构有一定的区别。 根据文献i l 2 1 ，我国许多专家学者对一些综放工作面矿压显现规律和顶板结构进行 了分析和总结，尚未有文献对灵武矿区2 4 煤层综放工作面上覆岩层结构进行深入研究。 宁东是我国建设的1 3 个亿吨煤炭基地之一，目前宁东煤炭基地主产区主要集中在灵武 矿区，灵武矿区7 0 以上的产量来自于2 4 煤层。按着神华宁夏煤业集团发展规划，2 0 1 0 年神华宁煤集团原煤产量达到8 0 0 0 万吨，到2 0 1 5 年年产量将达到l 亿吨。故本研 究有如下意义： ( 1 ) 对于将宁东建成我国大型煤炭基地之一，建设安全高效、安全本质型矿井具 有一定意义； ( 2 ) 通过研究促进对该矿区综放顶板结构的全面认识； ( 3 ) 对国内类似工作面的支架设计、选型有一定的指导意义，对灵武矿区2 “煤层 综放开采及类似工作面开采提供技术支持。 1 2 采场上覆岩层结构研究现状 回采工作面顶板结构一直是采矿学科研究的核心问题之一【1 1 。采场中一切矿压显现 的根源是采动引起的上覆岩层的运动，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，而项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。在对该问题的研究过程中，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，各种假说 提出以后许多专家根据一种或几种假说提出了不同的上覆岩层结构理论。 1 2 1 采场上覆岩层活动规律假说 最早的采场矿山压力假说当推压力拱假说与悬臂梁假说。2 0 世纪5 0 年代，随着长壁 西安科技大学硕士学位论文 工作面开采技术、采场上覆岩层运动监测技术及支护技术的发展，对采场上覆岩层运动 结构形式有了新的认识，此时推出的矿山压力假说当推铰接岩块假说和岩体预成裂隙假 说。 ( 1 ) 压力拱假说 压力拱假说是由德国人哈克( w h a c k ) 和吉里策尔( g g l i l l i t z e r ) 于1 9 2 8 年提出的。 此假说认为，在回采工作空间上方，由于岩层自然平衡的结果而形成了压力拱。压力拱 一个支撑点在工作面前方的煤壁，另一个支撑点在采空区已垮落的矸石上，随着工作面 的推进，前后拱趾也将向前移动。这种观点解释了两个重要的矿压现象：一是支架承受 上覆岩层的范围是有限的；二是煤壁上和老塘矸石上将形成较大的支承压力，其来源是 控顶上方的岩层重量。 压力拱假说对回采工作面前后的支撑压力及回采工作空间处于减压范围做出了粗 略却是经典的解释，但由于压力拱假说难以解释采场周期来压等现象，现场也难以找到 定量描述拱结构的参数，所以拱假说只能停留在对一些矿压现象一般解释的水平上。 ( 2 ) 悬臂梁假说 悬臂梁假说是由德国的施托克( k s t o k e ) 于1 9 1 6 年提出的，后来得到英国的弗里德 ( i f r i e n d ) 、前苏联的格尔曼等的支持。此假说认为，工作面和采空区上方的顶板可视 为梁，它一端固定在岩体内，另一端则处于悬伸状态。当顶板由几个岩层组成时，形成 组合悬臂梁。在悬臂梁弯曲下沉后，受到己垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生 有规律的周期性折断，从而引起周期来压。 此假说可以解释工作面近煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两 者均大的现象。同时也可以解释工作面前方出现支撑压力及工作面出现周期来压现象。 根据上述观点，提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此 仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架荷载与实际所得数据相差较远。 ( 3 ) 铰接岩块( 梁) 假说 铰接岩块假说是由前苏联学者t h 库茨涅佐夫于1 9 5 0 1 9 5 4 年提出的。该假说认为， 工作面上覆岩层的破坏可分为垮落带和其上的规则移动带。垮落带分上下两部分，下部 垮落时，岩块杂乱无章；上部垮落时，则成规则排列。垮落带与规则移动带的差别在于 无水平方向有无有规律的水平挤压力的联系。规则带由铰接岩块组成。铰接岩块在水平 推力的作用下，构成一个平衡结构。 铰接岩块学说的重大贡献在于，它解释了采场周期来压现象，首次提出了预计直接 顶厚度的公式，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。这一成果是以后矿压理论发展的重要基础，但是该学说对形成铰接岩块平 衡结构的采场条件以及支架与顶板之间的作用关系研究不够。 ( 4 ) 预成裂隙假说 2 1 绪论 预成裂隙假说是由比利时学者a 拉巴斯于2 0 世纪5 0 年代初几乎与岩块假说在同一 时期提出，假塑性梁铰接是此假说中的主要组成部分。事实上，该假说是从另一侧面解 释了破断岩块的相互作用关系。此假说认为，由于开采的影响回采工作面上覆岩层的整 体性遭到破坏，从而成为非连续体。在回采工作面周围存在着应力降低区、应力增高区 和采动影响区，随着工作面向前移动，三个区域相应的向前移动。 由于开采后，上覆岩层中存在着各种裂隙，这些裂隙有可能是由于支撑压力作用而 形成的，也可能是由于与正压应力成一定角度的剪切裂隙，从而使岩体发生很大的类似 塑性体的变形，因而可视其为假塑性体。在自重及下部岩层的下沉量大于上部岩层的下 沉量时，就会产生离层。 1 2 2 采场上覆岩层结构理论 煤层开采后上覆岩层将形成结构，该结构的形态及稳定性决定了顶板的运动特征， 直接影响到采场支架受力的大小、参数和性能的选择，同时也将影响到开采后上覆岩体 内节理裂隙及离层区的分布和地表塌陷形态。人们根据在不同煤层条件下进行开采的经 验，提出了相应的掩护结构模型，用于解释各种矿压现象，设计和选择维护工作空间的 支护形式，从而产生了各种理论。我国矿山压力工作者经过多年的研究和实践，逐步形 成了具有自己特色的顶板结构理论体系【3 5 1 。 ( 1 ) “砌体梁”理论 钱鸣高院士在铰接岩块学说和预成裂隙梁假说的基础上，借助于大屯孔庄矿开采后 岩层内部移动观测资料，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梁式平衡的结构力学模型【6 7 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。该理论将上覆岩层分为三带：垮落带、裂缝带和 弯曲下沉带。 该研究的意义主要在于：具体给出了破断岩块的咬合方式及平衡条件，同时还讨论 了老顶破断时在岩体中引起的扰动，为采场的矿山压力控制及支护设计提供了理论依 据。上覆岩层结构形态与平衡条件的提出，为论证采场矿山压力控制参数奠定了基础， 该理论对我国煤矿采场矿压理论研究与指导生产实践都起到了重要作用。 2 0 世纪9 0 年代后，钱鸣高院士领导的课题组对砌体梁结构进行了进一步的研究，促 成了“s r ”稳定性理论的形成。该理论认为采动后岩体内形成的砌体梁力学模型是一个 大结构，而此大结构中影响采场顶板控制的主要是离层区附近的几个岩块一关键块，关 键块的平衡与否直接影响到采场顶板的稳定性及支架受力的大小。 钱鸣高院士在砌体梁结构研究的前提下重点分析了关键块的平衡关系，提出了砌体 梁关键块的滑落与转动变形失稳条件即“s r ，稳定条俐8 1 。缪协兴教授对采场初次来压时 3 西安科技大学硕士学位论文 的稳定性进行了分析：侯忠杰教授给出了较精确的老顶断裂岩块回转端角接触面尺寸， 分别按照滑落失稳和回转失稳计算出了类型判断曲线【9 1 ；石平五、钱鸣高、黄庆享建立 了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型，分析了项板结构的 稳定性，揭示了工作面来压和顶板台阶下沉的机理是项板结构的滑落失稳，给出了维持 顶板稳定的支护力计算公式，采场老顶结构稳定性判据中有两项重要参数，即老顶关键 块与前方岩体之间的端角摩擦系数和岩块间的端角挤压系数【m 1 2 】 ( 2 ) 岩板及弹性基础梁( 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，尤其是老项来压预报的发展，在坚硬顶板工作面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 3 l 。钱鸣高院士等提出了岩层断裂前后的弹性基础 梁模型【14 1 。 该理论证明了“反弹”机理并给出了算例，并提出了各种不同支撑条件下的w i n k l e r 弹性基础上的板力学模型，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【l 弘1 7 1 。该理论是对“砌体梁”理论的发展，但弹性力学中对“薄板” 的定义很难适用于上覆岩层岩层结构中。 ( 3 ) 传递岩梁理论 以岩层运动为中心的矿压理论宋振骐院士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，称之为传递岩梁理论【1 8 】。 该理论的重要贡献在于：揭示了岩层运动与采动支承压力的关系，并明确提出了内 外应力场的观点。以此为基础，提出了系统的采场来压预报理论和技术，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) ，以及系统的顶板控制设计理 论和技术。 ( 4 ) 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，提出了岩层控制 中的关键层理论，将对上覆岩层活动全部或局部起控制作用的岩层称为关键层【1 9 】。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。 关键层的破断将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。 钱鸣高、茅献彪、缪协兴等研究了覆岩中关键层的破断规律，就采场覆岩中关键层 上载荷的变化规律作了进一步的探讨，并给出了覆岩关键层位置的判断方法【孤2 。关键 层理论及其有关采动裂隙分布规律的研究成果为我国卸压瓦斯抽放提供了理论依据，钱 鸣高等分别对覆岩采动裂隙分布特征和覆岩采动裂隙分布的“o ”形圈特征进行了研究， 4 1 绪论 建立了卸压瓦斯抽放的“o ”形圈理论；离层注浆减沉技术要取得好的注浆效果，覆岩中 必须存在典型关键层并能形成较长的离层区并且应合理地布置注浆钻孔，这主要取决于 对覆岩离层产生的条件及离层的动态分布规律的认识【2 2 埘】。关键层理论及其关于覆岩离 层动态。在典型的主关键层时，由于其一次破断运动的岩层范围大，尤其是当主关键层 初次破断时，将引起采场较强烈的来压显现。 在砌体梁和传递岩梁理论的基础上，通过大量现场观测、实验室研究和理论研究， 基于岩层质量的量变引起老顶结构形式质变的观点，姜福兴教授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1 2 5 2 6 】。在 此基础上，采用专家系统原理，实现了计算机自动分析柱状图，得出老顶结构的形式和 直接顶的运动参数，进而实现项板控制的定量设计。三种基本结构的观点，是基于定量 和系统分析方法提出的，砌体梁相当于基本结构中的拱梁结构，传递岩梁相当于基本结 构中的梁式结构，类拱结构则是指由较软岩层组成的老顶。三种不同的老顶结构中，类 拱结构条件下不可预报来压，拱梁结构下可预报来压，梁式结构下可准确预报来压；对 梁式结构老顶，老顶结构以断裂失稳为主，岩块断裂长度即为来压步距；而对类拱结构 老顶，则以变形失稳为主，失稳步距为周期来压步距，拱梁结构老顶具有两者的特点， 并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。 此外，其他许多学者也在采场矿山压力理论及覆岩运动规律方面作了许多卓有成效 的工作1 2 m0 。，对于矿山压力与岩层控制理论的发展和完善起了巨大作用。近年来，有些 学者将非线性科学的一些基本原理应用到采场矿压与预测领域，对矿压现象的预测和可 预测评价问题进行了有益的探索【3 1 3 2 】。 1 3 综放工作面顶板结构研究现状 放顶煤开采法是一种古老的采煤方法，俗称“高落式”采煤法。综合机械化放顶煤采 煤法是近代发展起来的一种采煤方法。1 9 6 4 年，法国首先在布朗齐矿试验成功一次采全 厚综采放顶煤采煤法，之后前南斯拉夫、前苏联、匈牙利、保加利亚等国先后引进了这 种方法，取得了较好的经济效果，而且在不同的煤层赋存条件下有所发展。 综放开采在国外的最好水平，月产只达到1 0 万t 左右，工效5 0 - - 6 0 t 工。进入2 0 世 纪9 0 年代，综放开采的发源地法国由于煤炭资源枯竭、煤炭工业萎缩，自1 9 9 2 年关闭 最后一座综放开采的矿井以后不存在综放工作面。俄罗斯、乌克兰、前南斯拉夫、罗马 尼亚等国也由于条件限制，综放开采规模很小、水平很低，没有达到高产高效的水平 3 3 】。 关于国外放顶煤开采上覆岩层活动规律方面，在文献中出现较多的是法国的j p 皮 凯对布朗煤田达尔西矿放项煤工作面的矿压研列孙”】，主要结论为： ( 1 ) 顶煤底板移近量大，在采空区内垂直位移达l m ，水平位移为垂直位移的l 2 ； ( 2 ) 在煤壁后方顶煤的水平移近量是垂直位移的2 3 ，煤壁后方顶煤以垂直位移 5 西安科技大学硕士学位论文 为主； ( 3 ) 在采动影响下，顶煤水平移动实际上是使整个煤层向采空区滑动、倾倒； ( 4 ) 煤层厚度是控制放顶煤机理的重要参数； ( 5 ) 在厚煤层中的放顶煤开采，作用在支架上的载荷等于支架顶梁上部煤体的重 量，说明放顶煤开采支架载荷不大。 该研究对支架的支护强度、采深及煤层厚度对顶底板移近量的影响总结了经验公式。 由于实际采高的加大，放煤工作面的矿压“三量”值也会增加，法国尚邦教授等研究 人员在对1 4 0 个各种工作面实测基础上，提出了预计顶煤下沉量的简易公式f 3 6 】。 为了取得网下悬臂顶煤的稳定性参数( 即支架控顶区域内顶煤的稳定性) ，前苏联 曾在库兹巴斯的列宁矿和舌位雅科夫矿进行了专门的测试，得出顶煤在l m ，2 m ，3 m 悬长时产生裂隙破坏的频率1 1 与垮落角6 的之间的关系【3 7 1 。法国煤研所阿达姆经测试后 认为，顶煤越厚，越难控顶。 总的来说，国外对放项煤开采研究体系性较差，理论研究较少，集中在为数不多的 现场顶煤运移实测方面，对现代化装备工作面矿压规律、顶板管理等深层次的研究较少。 我国厚煤层储量丰富，约占煤炭探明储量的4 4 ，每年地下开采的厚煤层产量约占 全国煤炭产量的4 0 0 0 , - , 5 0 ，因此厚煤层开采对大多数煤矿的生产和经营状况都有很大 影响。我国从1 9 8 2 年开始进行缓倾斜特厚煤层一次采全厚综采放顶煤采煤工艺和装备 的试验研究工作。1 9 8 4 年6 月，由北京开采研究所和沈阳煤研所共同设计的第一个综放 工作面在沈阳矿务局浦河矿投入了试验，1 9 8 6 年9 月该项目通过了技术鉴定，与此同时 1 9 8 6 年3 月在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤采煤法的工 业性试验。经过2 0 多年的发展，综放工作面顶板运移规律及矿山压力观测工作取得了 许多成果。 综采放顶煤技术经过近2 0 年的应用和研究，我国专家学者对综放采场的岩层活动 及矿山压力显现特点进行了研究，取得了一定的认识。普遍认为，综放开采仍然存在周 期性的压力变化，支架载荷和矿压显现不大于分层开采，在某些条件下又表现出明显的 矿山压力显现。由于综采放顶煤工艺的显著特点是一次采出煤层厚度成倍增加，由此引 起上覆岩层运动及结构特点的变化，这就要求我们在不同的条件下探讨上覆岩层运动及 结构特点的变化。 中国矿业大学张顶立教授、钱鸣高院士认为综放工作面在( 1 1 2 ) m ( m 为煤层 采出厚度) 范围下的直接顶垮落后形成不稳定的“类拱”结构( 图1 1 a ) ，在煤层( 1 5 2 0 ) m 范围以上若存在着较坚硬的顶板岩层，则可形成稳定的砌体梁式结构【3 8 】，图1 1 b 为 老顶垮落结构。同时建立了采场上覆岩层力学模型( 图1 1 c ) 。研究认为，老顶断裂回 转形成的力矩在工作面前方造成很大的支承压力，工作面煤壁片帮可以作为老顶来压的 前兆。 6 1 绪论 ( a ) 直接顶类拱结构 ( b ) 老项垮落砌体梁结构 ( c ) 采场围岩力学模型 图1 1 综放采场直接顶、老顶垮落结构及力学模型 中国矿业大学陆明心、郝海金、吴健认为综放工作面上覆岩层存在着比分层开采层 位更高的平衡结构( 图1 2 ) ，以大变形梁的形式存在，结构的活动是一逐渐变化的过程， 在这一过程中，平衡结构与其下的顶板和顶煤相互作用【3 8 3 9 1 。 大变形壁 图1 2 大变形梁平衡结构 吴健教授通过对通化道清矿急倾斜水平分段放顶煤工作面观测，将项煤移动过程分 为冒落前和冒落后两个阶段，冒落后阶段又分为冒落过程、压实过程和放出过程m 】。煤 炭科学总院北京开采所闰少宏、贾光胜针对放顶煤开采上覆岩块运动特点引入了有限变 形力学理论【4 ，提出了上位岩层结构面稳定性的定量判别式，并根据结构面极限挤压角 的概念及挤压角与层面弯矩的关系分析了放顶煤开采上覆岩层平衡结构向高位转移的 7 西安科技大学硕士学位论文 原因；兖州矿业集团赵经彻、陶廷云应用内外应力场理论对分层开采、网下综放、全厚 综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙高度、地表沉陷特征及支承压力大 小及分布特点进行了分析和探讨并建立了相应的计算模型4 2 j ；张顶立基于“砌体梁”和 “半拱”结构结合而构成的综放工作面覆岩结构的基本形式，指出覆岩结构的特殊性及顶 煤的松软破碎是造成综放顶煤工作面矿压显现复杂化的主要原斟4 3 】；太原理工大学贾喜 荣基于“弹性板与铰接板结构”力学模型把中厚煤层开采中采场矿压计算的分析方法推 广到放顶煤工作面顶板来压计算中，提出了完全承载层、过渡层和非承载层的基本判断 4 4 1 ；山东科技大学杨淑华、姜福兴在现场观测和动力学分析的基础上，研究了综放支架 载荷有时比分层开采大有时小的力学机理，给出了综放采场的两种典型顶板结构以及它 们静力和动力学特征1 4 习；姜福兴认为放顶煤采场的结构由顶煤、直接顶和老顶组成( 图 1 3 ) 。根据文献 4 6 j ，放项煤采场的需控岩层，主要指直接顶和顶煤，由于顶煤的存在， 老顶的运动效应将被弱化，变为次要的控制对象。不能永久地向煤壁前方和采空区矸石 传递力是直接顶的重要特征，在放顶煤采场，由于顶煤从垮落到放完是一个动态过程。 在此过程中直接顶的厚度是变化的，也即老顶的厚度和位态是变化的，其变化主要由项 煤的放出率控制。 图1 3 综放采场结构 综放工作面一次开采厚度大、支架直接支护的对象为相对较为松软的顶煤，因此与 中厚煤层或厚煤层分层开采相比，工作面矿压显现有明显的不同。根据大量文献1 4 7 5 2 】 研究结果，一般条件下的综放工作面矿压显现具有下述典型特点： ( 1 ) 综放工作面支架载荷普遍较小。同一煤层综放开采与分采开采项分层相比， 工作面的支架载荷减少5 0 a r , - ，6 8 ，来压强度减少1 5 也0 ； ( 2 ) 综放工作面支架所受动载荷普遍不强烈，动载系数较分层开采的项分层工作 面低，周期来压对支架的影响明显缓和，表明基本顶的活动对支架作用明显减弱； ( 3 ) 四柱式综放支架前柱的平均工作阻力在大多数情况下大于后柱的平均工作阻 力； ( 4 ) 综放开采老顶平衡结构将向高位转移。综放开采由于一次开采厚度大，顶板 活动空间大，上位岩层在工作面前方煤体、支架与采空区碎胀矸石支撑作用下形成平衡 结构。 分层开采围岩支撑体系为老顶直接顶一支架底板，综放开采时围岩支撑体系变 8 1 绪论 为老顶一直接顶一顶煤一支架一底板，综放开采顶煤体充当了原来意义上的部分直接 项，而其力学性质随着工作面推进发生显著的变化，也就是说，综放开采在顶板岩层和 支架之间增加一层强度较低的顶煤充当了部分直接顶，作为上位岩层活动的“垫层”，它 起着综放开采时顶板下沉运动基础的作用，也是项板回转下沉而对支架作用的中介层， 它的力学特点在支架一围岩关系中起着关键性作用。而顶煤弱化之后，工作面围岩支承 体系为老顶一直接顶一弱化顶煤一未弱化顶煤一支架一底板。因此，分析难冒放顶煤综 放开采的顶板移动规律不能全部套用分层开采的理论。 根据文酬2 | ，对于顶煤经过弱化后，矿压显现有下述特点： ( 1 ) 工作面存在不明显的周期来压现象，特别是其中部分周期来压显现极不明显， 但有时来压持续时间较长； ( 2 ) 支架载荷较小且波动较不大，但支架后柱载荷变化幅度相对较大，特别是放 煤充分与否对支架后柱的载荷影响较大： ( 3 ) 周期来压对顶煤的采出率的影响明显，来压之前项煤的采出率下降，来压期 间顶煤的采出率较高，而一般综放工作面顶煤采出率受周期来压影响相对较小； ( 4 ) 顶煤弱化对支架载荷有一定的影响，弱化程度差时，支架载荷变大，顶煤弱 化好时，支架载荷波动变小。 在难冒坚硬煤层综放面，由于项煤整体强度高，而且工作面前方支承压力的影响范 围也小，顶煤经过支承压力高峰的破坏后，在到达工作面支架上方时破坏程度较低、破 碎块度大，是以较大的块体堆砌在支架上方。这种坚硬大块煤堆砌体中块体间的咬合力 和摩擦力大、堆砌体的整体稳定性好、整体刚度大，具有较强的承载能力和传递上覆岩 层破断运动压力的能力，因此顶煤未经弱化处理的工作面支架的工作阻力相对较大。 1 4 本文研究内容 在灵武矿区2 4 煤层综放开采工程地质条件下，对2 4 煤层综放工作面开采过程中矿压 规律进行研究，详细分析来压步距及特点，与同等条件下综采工作面矿压规律进行比较， 指出矿压规律与上覆岩层结构内在联系。利用r f p a2 d 数值模拟软件，对工作面上覆 岩层垮落过程力学特点及上覆岩层结构进行分析，对上覆岩层压力拱的高度、拱趾受力 及其移动规律进行总结。通过物理相似模拟实验对综放工作面拱形结构的内部小结构进 行分析，确定拱内小结构类型、直接顶和老项的垮落高度及垮落步距，并对梁式结构进 行理论验证。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 上覆岩层结构理论基础 综放工作面开采后破坏了原岩的自然平衡状态，致使岩体应力重新分布，引起采场 围岩变形、移动或破坏等一系列矿压现象。传统的观点认为综放工作面上部存在高位压 力拱结构，压力拱结构内部存在着小结构。 2 1 拱形理论综述 古代人从拆墙开洞时发现墙体材料可能形成某种结构，待洞形成某种形式即不再向 下散落，这是拱的雏形。后来在砌墙留洞时有意砌成拱形。另一方面，山中岩石经风沙 吹刷，天长日久形成拱形可跨越很大空间给人以很大启发。 压力拱是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节的一种现象，是荷载传递路线发生 的偏离，这种现象无法用肉眼观测到，为一应力集中区域【5 3 】。它的主要特点是地下工程 开挖后，主应力方向发生偏转，但无破裂发生。压力拱不仅存在于顶板上，也存在于两 帮和底板。如果把围岩作为一种结构来看，处于压力拱中的岩体承担着自身和其上的岩 体荷重，是确保其上方岩体不会塌落的一个具有拱的力学特性的结构。 地下工程中的拱效应现象早已被人们所认识，最初提出地下工程开挖中存在拱效应 现象的是k o v a r i 【5 训，他通过对隧道顶部下沉的研究作出了无黏结材料中存在拱效应的推 测。随后f a y o l 在物理实验中总结出了岩石拱( r o c ka r c h ) 的基本概念，得出岩石拱的存 在可以减小硐室顶部变形的结论【5 5 1 ，但他的研究只针对矿井中成层分布的岩体，且研究 结果仅应用于地面沉陷，没有对拱做更深一步的探讨，也没有对他所提出的拱进行定义。 1 9 0 7 年俄国学者普氏学说的创立，加深了对松散介质中自然平衡拱的研究【5 6 】。1 9 4 6 年， t e r z a r g h i 也通过实验证实拱效应在砂体中的存在【5 7 】，并对其进行了力学分析。 我国在拱效应研究方面也取得了相当的进展，2 0 世纪9 0 年代中期，研究人员对压力 拱进行了研究。自然拱或压力拱的研究均将岩体假设为松散破碎介质，仅反映了特定岩 石的特性，对坚硬岩石区的成拱是偏于保守的。我国专家学者对拱形理论的研究主要集 中在隧道、巷道开挖及支护方面，在岩石力学著作中对拱形巷道受力特点也进行了相关 理论分析。 2 1 1 采场压力拱基础 如绪论中所述，工作面采场拱形假说是由德国人哈克( w h a c k ) 和吉里策尔 ( g g l i u i t z e r ) 于1 9 2 8 年提出的。此假说认为，在回采工作空间上方，由于岩层自然平 衡的结果而形成了“压力拱”。压力拱一个支撑点在工作面前方的煤壁，另一个支撑点在 采空区已垮落的矸石上，随着工作面的推进，前后拱趾也将向前移动。目前，对工作面 l o 2 上覆岩层结构理论基础 上覆岩层拱形结构的研究主要集中在拱的移动对地表沉陷、保水开采方面。在压力拱对 工作面压力影响、支承压力方面研究较少。 拱模型是解释采场矿压现象最古老的模型之一。从大量的模拟实验结果可抽象出图 2 1 的拱结构模型1 5 引。从图中可看出，从结构上来说，拱两侧可由岩梁折断线或离层边 界的连线构成，拱顶则由离层高度边界所决定，显然前后拱趾在采空区煤壁和工作面煤 壁。拱下面包含有离层带、裂隙带和冒落带，形成对采场矿压有明显影响的区域。其中， 离层带由于其自身的结构特征和力学特点，自重以过桥梁( 板) 的形式传递。下位裂隙 带岩层以咬合岩块的形式处于平衡状态，其自重大部分由冒矸支承，只有靠近切眼和工 作面煤壁的几个块体通过咬合点将部分重量传递到煤壁上方的岩层。 图2 1 采场上覆岩层拱结构模型 当煤层埋藏较深，可将上覆岩层简化为弹性体，采场应力分布大体可按弹性力学中 关于孔的应力集中问题分析。顶板上方采动影响范围内，各点最大主应力q 的方向由开 采前的铅垂方向改变为向开采两侧倾斜，如图2 2 所示。图中用应力轨迹描述这种现象。 c l 111 11111 1111l ( a ) 开采前( b ) 开采后 图2 2 开采前后的应力轨迹 由于开采后原岩应力向开采后两侧煤壁转移，故两臂上承担的载荷比开采前增高， 这种增高的应力称为支承压力【5 9 1 。两侧煤壁支承压力分布的范围称为支承压力带，该带 铅垂应力分布状况如图2 3 所示。原岩垂直应力仃v 可按岩体容重y 与上覆岩层总厚h 的乘 积估算，即口，= r h 。最大次生应力仃一可按应力集中系数k 。与原岩铅垂应力1 7 r 的乘积 估算，即一= k 。仃，。 西安科技大学硕士学位论文 开采空间 图2 - 3 支承压力分布示意图 支承压力系数可按下式估算 1 k 。= ( 1 + 击) 氍 ( 2 1 ) d 7 l 式中：k ，为开采空间形状影响系数，当开采空间为长硐室，长度三超过其跨度，的3 倍时， 该系数为1 ，否则为。z 为开采空间的水平宽度( 跨度) ，6 为支承压力带的宽度。 支承压力带的宽度b ，视岩体性质及开采空间跨度而异。大致有以下关系 b = k 1 k ， 式中：髟为岩石性质影响系数，硬岩为0 8 ，中硬岩石约为1 5 ；k 为跨度影响系数，跨 度越大，取值越小。 在层状岩体内，当工作面开采后，随着顶板向下的下沉弯曲，常引起离层和垮落现 象，如图2 4 所示。此时，各岩层内次生应力场的分布状况，可近似用梁理论进行分析。 图2 4 层状顶板离层现象不意图 2 1 2 压力拱理论计算 根据已有文献【6 0 1 ，压力拱是拱基线所在截面上弯矩m 和剪力q 均为0 ，考虑拱的 对称性，对左半拱a c 段的平衡，c 截面为拱顶截面，在c 截面上作用力有水平推力冕， a 截面为前拱趾截面，作用有水平推力乃和垂直压力n a ，故任意断面m ( x ，j ，) 作用 有吼= 塑 嫂+ g l 、q o 和