（采矿工程专业论文）综放采场压力异常预测与控制研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 综放采场压力异常是发生在综放采场的超出常规预计压力数倍的、对安全生产造成 较大危害的动压现象，它是指在某些特定的条件下发生的矿山压力显现异常，当采场周 围煤( 岩) 体在其力学平衡状态被打破时，给煤矿的安全生产带来的较大威胁。本文在 大量现场资料分析整理的基础上，以断裂力学和弹塑性力学知识为基础，将矿山压力理 论和特殊开采理论紧密结合，对上覆岩层的破坏过程建立各种力学模型分别进行了研究 分析，并构建老顶结构及其运动形式的模型对其进行力学分析，论证了三种不同模式下 矿压显现异常的来压机理。 利用a n s y s 有限元分析软件及其中的节理单元，建立二维模型对同一工作面地质条 件下断层的不同垂高和角度对采场压力的影响进行研究，并对此模型进行相似材料模拟 研究。在对实测资料、数值模拟、相似材料模拟及已有研究成果分析研究的基础上，利 用模糊数学、统计分析等方法研究获得了采场异常压力区预测新方法和公式。研究结果 应用于实践，很好的解释了综放采场发生的矿压显现异常现象，并且公式预计误差较小。 最后，以预测、预报和预防为技术思路，根据预测公式确定的异常压力和区域，可 以有的放矢，建立采前精细预测、开采过程中对构造活化灾变与覆岩断裂灾变的动态实 时监测，阻及加强现场顶板控制技术的超前预报与应用控制相结合的预测、监测及综合 控制体系与预防措施。本文的研究成果无论是对覆岩破坏及其控制的理论研究还是工程 实践都具有重要意义与推广价值。 关键词：综放采场压力异常预测方法综合防治 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ea b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ri nf u l l y m e c h a n i z e ds u b 。l e v e l c a v i n gw o r k i n gf a c ei sat r a n s n o r m a l l ya n dd e t r i m e n t a l1 yd y n a m i cp r e s s u r e p h e n o m e n o n i ti s aa b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o rp h e n o m e n o nt h a t h a p p e n s i ns o m e s p e c i a l c o n d i t i o n s w h e nm e c h a n i c a lb a l a n c eo fc o a la n d s u r r o u n d i n gr o c ka r o u n dc a v i n gw o r k i n gf a c ei sb r o k e n ，t h ec o a lm i n es a f e t yi s s e r i o u s l y t b r e a t e n e d f i r s t l y ，t h ep a p e rb a s e d o nt h ef r a c t u r ea n d e l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c s ，c o m b i n i n gt h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r et h e o r yw i t ht h e s p e c i a lm i n i n gt h e o r yc l o s e l y ，e s t a b l i s h e se v e r yk i n do fm e c h a n i c a lm o d e lo nt h e p r o c e s so fo v e r b u r d e nr o c kf a i l u r ea n da n a l y z i n ge a c h o ft h e mr e s p e c t i v e l y ， b u i l d se q u a t i o n su n d e rd i f f e r e n ts t a t i o n so fs t r a t as t r u c t u r ea n dm o v e m e n ts t y l e b yu p b u i l d i n gt h em o d e lo fm a i nr o o fs t r u c t u r ea n da n a l y z i n gi ta c c o r d i n ga s t h ep l e n t i f u ls u r v e yd a t a ，a n dp r o p o s e st h ec o n d i t i o n st h a ta r ep r e r e q u i s i t ew h e n a b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o rp h e n o m e n ao c c u ru n d e rd i f f e r e n ts t a t i o n s f u r t h e r m o r e ，m a k i n gu s eo fa n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n di t sj o i n t e l e m e n t ，s t u d i e dt h ee f f e c tf o rd i f f e r e n ta n g l e sa n dv e r t i c a lh e i g h t so ff a u l t a tt h es a m eg e o m e t r yf a c t o ro nt h eu n d e r g r o u n dp r e s s u r ei nf u l l y m e c h a n i z e d s u b l e v e lc a v i n g ，a n ds t u d i e di tb ye s t a b l i s h e dt h es i m i l a r i t ym a t e r i a l s i m u l a t i o nm o d e l b a s e do nt h es u r v e yd a t a ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s i m i l a r i t y m a t e r i a ls i m u l a t i o na n da c h i e v e m e n t sa b o u ti t ，u s e dt h em e t h o do fs t a t i s t i c a l a n a l y s i sa n df u z z ym a t h e m a t i c s ，t h ep a p e rg a i n st h en e wp r e d i c t i o nm e t h o da n d f o r m u l ao ft h ea b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ri nf u l l y m e c h a n i z e d s u b l e v e lc a v i n gw o r k i n gf a c e t h es t u d yr e s u l t sc a nf a i r l yc o m p l e t e l yi n t e r p r e t t h ea b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o ri nf u l l y - m e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n g w o r k i n gf a c e t h ee r r o ro fi t i sv e r ys m a l 1 f i n a l l y ，t h ep a p e rr e g a r d sp r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o na st h et e c h n o l o g i c a l t h i n k i n g ，b a s e do nt h ei d e ao fc o m b i n i n ga d v a n c i n gf o r e c a s ta n ds i t ec o n t r o l t h ep a p e rp r o p o s e sb e f o r em i n i n gp r e d i c t i n g ，m o n i t o r i n gi nr e a lt i m et oo v e r b u r d e n 2 山东科技大学硕士学位论文 摘要 f r a c t u r ea n ds t r u c t u r ea c t i v a t i n gd u r i n gm i n i n g ，s y n t h e t i cm e a s u r eo fp r e v e n t i o n a n dc u r ef o rc o n t r o la b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o r ，c o m b i n e dd a t aa n d r e g i o no fa b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o rb yf o r m u l a t h es t u d yr e s u it s o ft h i sp a p e rw h e t h e rt ot h et h e o r ys t u d yo fo v e r b u r d e nf a i l u r em e c h a n i s ma n d c o n t r 0 1o rt ot h ee n g i n e e r i n gp r a e t i c eh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n de x p a n d i n g a n da p p l y i n gv a l u e s k e y w o r d ：f u l l y - m e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n gw o r m n gf a c e a b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o r p r e d i c t i o nm e t h o d s y n t h e ti c m e a s u r e so fp r e v e n ti o na n dc u r e 3 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 a f f u a t i o n 硕蛀戤彳右以 、 日 期：口f 、l id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf n l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d n n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t n t e 孑 虮； 名、 6 圩 、l e 口 时洳 山东科技_ 大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 能源是国民经济与社会活动赖以生存和发展的物质基础，而中国也是世界上少数几 个一次能源以煤炭为主的国家，中国的煤炭工业为国民经济发展作出了重要贡献。 据统计表明【”，1 9 9 5 年中国一次能源消费构成中，煤炭占了7 4 6 左右。有关专家分析， 这种以煤为主的能源结构在未来的相当时间内不会有太大变化，煤炭在中国2 1 世纪5 0 年代前的能源结构中将稳居5 0 以上。中国的煤炭资源十分丰富，在探明的化石能源中， 煤炭占9 4 3 。但由于煤炭是不可再生资源，因此，在中国合理开发利用煤炭资源，对 于维护社会稳定和促进国民经济可持续发展有着特殊重要的意义。 世界厚煤层储量约占世界煤炭总储量的三分之一，而我国厚煤层储量约占总储量的 4 0 ，拥有5 m 以上的厚煤层的生产矿井数量为生产矿井总数的4 0 6 ，特厚煤层的开采 方法多因地质条件和煤层赋存情况不同，使得常规采煤法在经济上和技术上存在着较严 重的问题，出于煤炭生产和竞争的需要，各主要产煤国的矿井实行高产高效已成为普遍 趋势，放顶煤采煤法正是适应了这一需要，特别是综采放顶煤技术在我国得到了较充分 的发展，现已成为我国高产高效矿井的主要生产模式之一。 目前，我国放顶煤开采技术发展的成果主要反映在两个方面【2 】，一方面是在一些地 质、生产条件好的矿井和煤层，充分发挥放顶煤的技术优势，不断改善设计参数，改进 和提高设备性能，提高工作面整体生产能力，解决实现高产高效的各个技术关键问题， 取得了比分层开采高得多的生产技术经济指标，中国在综采放顶煤技术方面已处于国际 领先地位；另一方面，在难采厚煤层不断攻克生产系统、工艺、装备、岩层( 包括顶煤) 控制、高瓦斯、易自燃、粉尘等各种技术难题，不断扩大综放开采的适用条件，放顶煤 开采方法已成为我国厚煤层开采的主要采煤法。 综放开采技术的发展有待于配套设备的可靠性进一步增强，为进一步提高综采工作 面效率，加强综放工作面的顶板管理，一些厂家研制并开发了一系列大吨位液压支架投 入到生产中去，液压支架的工作阻力达到了6 0 0 多吨，缸径也在2 0 0 m m 以上。然而，近 年来，国内多家矿井相继出现了立柱爆裂、油缸变形等“压力异常”的情况。例如：1 9 9 4 年兴隆庄煤矿4 3 1 4 综放工作面首次出现四连杆断裂、底座箱开裂等问题；1 9 9 4 1 9 9 6 年，鲍店矿1 3 0 6 、1 3 0 8 综放工作面、东滩矿1 4 3 0 7 综放工作面也相继出现类似问题；东 l 些查型堇查堂璧主堂焦笙皇! 堕堡 滩矿1 9 9 9 年7 月4 3 0 8 综放工作面因水大压死支架；鲍店煤矿5 3 0 8 综放面2 0 0 0 年5 月 7 日晚上2 3 时左右，工作面2 7 4 矿号架顶板压力突然增大，立柱安全阀成雾状泻液， 支架前、后柱明显下缩，工作面顶板从煤壁处断裂，2 5 4 9 8 架顶板出现淋水且水量不断 增大，并伴有顶板断裂和支架受冲击的震动声。至5 月8 日凌晨，已有1 0 棵立柱损坏， 损坏的立柱全部是活柱的缸口开裂，有7 个支架被压死。5 月8 日晚检修班工作面压力 再次异常，现象同第一次，此次来压之后已累计损坏立柱增加到1 4 棵。1 2 日凌晨，工 作面压力又出现异常，现象同前两次一样，至5 月1 7 日方恢复正常生产。到此时已累计 损坏立柱增加到1 6 棵。济宁三号井6 3 0 1 工作面2 0 0 1 年1 2 月1 日顶板大面积来压，近 7 0 架支架被压死，液压支架损坏严重，支架立柱损坏1 0 2 棵，四连杆机构中的前连杆损 坏3 3 件，部分支架立柱柱窝开焊撕裂，个别液压支架立柱底座穿透。工作面矿压异常虽 未造成人员伤亡，但严重影响了正常生产，给煤矿企业带来了重大经济损失。表1 1 是 我国兖州、徐州矿区部分综放采场发生矿压显现异常的资料统计。 许多国家都非常重视对矿压异常的研究，也取得了一定的成果。但是由于矿压异常 的复杂性，以及受采动影响而造成的围岩条件的易变性，难以建立系统的精确的数学力 学模型；另外，由于各地煤田地质条件的差异很大，客观实际复杂，所以许多方法都有 一定的局限性与随机性，因而必须采用多手段、多方法相结合来预测、监测地质条件、 支架与围岩的灾变过程，总结其灾变机理，从而完善预测与监测方法，形成可行的安全 与高效生产的保障体系，保证工作面的安全高效生产。本文正是从这一角度出发，利用 地质力学理论、煤矿开采理论，与现代岩石力学理论相结合，通过相似材料模拟、数值 模拟、现场监测等手段，建立围岩应力场分布和围岩变形破坏规律的空间动态结构力学 模型、建立动态结构力学理论和支架一围岩的相互作用关系、摸清构造活化与灾变的机 理，解释矿压显现异常现象，从而有利于我们对支架支护效果的掌握，提出压力异常的 预测方法，对于有效的预测围岩事故，控制异常压力显现，实现安全、高效的生产具有 重要意义。 本文通过理论分析与现场实践相结合的方法，借助实验室的实验手段，以鲍店矿 5 3 0 7 工作面为模型，深入分析研究综放工作面矿压显现异常的机理，并通过对5 3 0 7 工 作面现场实测、实验室模拟、力学理论分析等手段，总结规律及机理研究，建立综合评 价及预测方法，并提出综合防治措施。 该研究成果应用于生产实践，将进一步挖掘综放开采技术的潜力，推动综放开采技 术的发展。此外，由于综放开采技术应用十分广泛，本研究成果将有良好的推广应用前 2 山东科技大学硕士学位论文l 绪论 景和重要的借鉴作用。 表1 1 综放采场矿压显现异常资料统计 t a b l e l 1s t a t i s t i c so f a b n o r m a lu n d e r g r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o r 工 矿区 作煤层来压时采 面厚度支架型号场位置地来压时间来压现象来压后果 矿名 编 ( m ) 质状况 号 顶板淋水，采空区 1 0 棵立柱损坏，7 个 2 0 0 1 5 7 涌水，项板下沉速 度明显加大 支架被压死 将6 i 6 4 # 架压死 兖卅i 矿 淋水量加大，压力 同时9 & 一1 0 8 # 架，1 1 裙曲核部 区鲍店 5 3 0 88 5z f s 6 2 0 0 1 8 ，3 5 b 2 0 0 l5 8由2 7 4 蜊架向1 9 # 架也山现一定 矿 有断层 两边延伸程度来压现象立柱 累计损坏1 4 操 将6 9 # 、9 l 9 鼎架压 2 0 0 l5 1 2 淋水、采空区涌水死，累汁损坏立柱1 6 棵 部分支架顶粱下支设 工作面6 3 7 5 #的单体液压支柱被压 究州矿 支架出现淋水，采断，立柱半圆环崩出， 区济宁 6 3 0 i69z f s 6 2 0 0 ，1 8 3 5 c 断层附近 2 0 0 l ，1 l3 0 空区出现涌水且缸口开裂工作面 三号井 涌水量逐渐增大1 1 7 7 支架全部被 压死 顶扳淋水大，支架来压面积和强度与上 究州矿 安全阀开启，呈现次基本相同，工作面 2 0 0 2 i1 l 区济宁6 3 0 l6 9z f s 6 2 0 0 1 8 ，3 5 c断层附近 雾状喷射停产2 0 小时 2 0 0 2 1 2 8 三号井 顶扳淋水，支架安立拄大幅度下缩，片 全阀开启帮严重。停产1 6 小时 究州矿 区若隆4 3 1 48 5z f s 6 2 0 0 1 1 8 ，3 5 b小构造1 9 9 4 6工作面淋水 四连杆断裂、底座箱 开裂 庄矿 充州矿 顶板裂 2 0 余架支架被压死， 1 9 9 9 7 工作面水大区东滩 4 3 0 87 8z f s 6 2 0 0 1 8 n 5 b 隙笈育停产2 3 小时 矿 煤壁持续淋水，安 徐州矿 构造、裂隙 全阔开启率达 部分支架被压死，两 2 0 0 0 32 8 8 0 ，煤壁片帮严 棵立柱爆裂，溜子道 区张双7 1 0 7 4 5w s l 7 12 门8 非常发育被淹，工作面被迫停 楼矿 重，影响范围波及 产 整个工作面 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 2 综放采场矿山压力理论的国内外现状及发展动态 矿山压力及其显现一直都是关系煤矿安全生产及提高经济效益的大事。而采场顶板 压力异常实质上也是由各种复杂因素综合作用而引起的矿压显现。它是由客观的、绝对 存在的矿山压力作用的结果。矿山压力是一个复杂的动力学现象，其影响因素众多，对 其研究存在很大的难度。因此，结合我国煤矿的特点，研究摸清矿压显现的一般规律及 丌采所处的力学环境、围岩变形破坏规律、支架一围岩相互作用关系，是采场顶板压力 异常预测与控制研究的根本。几十年来，国内外学者对其进行了大量的研究，取得了宝 贵的成果和经验，但仍然存在许多问题，目前还处在经验积累和理论探索之中。 1 2 1 国外现状- 9 很早以前，人们已经发现在煤和岩层中开出的巷道，支架上承受的压力远远小于采 动空问上覆岩层的自然重量。于是，人们根据自己在不同煤层条件下的开采经验，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。由前苏联学者m m 普罗托吉亚阔诺夫在对大量巷道顶板破坏情况观测的基础上提出来的自然平衡拱假说， 可以推算出巷道支护所需的反力。但实践证明，普氏拱假说适用于确定强度不高，开采 深度不是很大的巷道支护反力。前苏联学者，工程师q 许普鲁特提出的压力拱假说模 型较好的解释了采场周围支承压力的存在，较好的说明了支架上的压力远小于上覆岩层 重量的原因。由于假说认为“压力拱”是随采场推进而曲移，因而避免了原自然平衡拱 假说认为平衡拱随采场推进不断扩大的错误。早在1 8 6 7 年提出的悬臂梁假说比较简捷的 的说明了采场上覆岩层运动的规律，较好的解释了采场周期来压的现象，因此得到相当 多采矿工作者的拥护。从发展上来看，可以认为“悬臂梁”假说在有关掩护梁假说的发 展过程中，起到了奠基的作用。1 9 4 7 年比利时学者a 拉巴斯提出“预生裂隙梁”假说 揭示了煤层及临近采场的部分岩层在支承压力的作用下超前于煤壁破坏的可能性，正确 指出其破坏的原因是岩层中两个方面的应力差超过岩石强度极限所致。该假说把受采动 影响的应力场范围分为三个应力区问，即：低应力区、高应力区、假塑性变形区。前苏 联学者t h 库茨涅佐夫在实验室进行采场上覆岩层运动规律研究的基础上提出的铰 接岩块假说，比较深入的揭示了采场上覆岩层的发展状况，特别是岩层垮落实现的条件； 正确的提出了支架有可能在“给定载荷”和“给定变形”两种状态下工作的概念；相当 深入的研究和揭示了采场支架与围岩间的部分作用关系。这一成果从理论上为采场顶板 深入的研究和揭示了采场支架与围岩问的部分作用关系。这一成果从理论上为采场顶板 些查型垫叁堂堡主兰垡笙茎! 堕丝 控制设计提供了重要依据。上述所有假说，实际上都是针对某一具体煤层条件解释有关 矿山压力现象，各有其正确和合理的部分，应当相互补充。 综放开采在国外经过了数十年的试验和发展，尤其是在法国、前南斯拉夫和匈牙利 等国取得了较好效果，但由于受各方面因素的影响，从2 0 世纪8 0 年代中期开始，其发 展势头逐渐衰弱，工作面越来越少，目前仅有东欧极少数矿仍在使用，其主要原因有： 受客观条件的限制，适合放顶煤开采的煤层少；受严格的安全规程和放顶煤技术自身弱 点的制约；环境保护方面的要求。基于上述的原因，从而导致了在该条件下进行各项研 究成果的缺乏。 1 2 2 国内现状【8 】1 1 0 - 1 9 1 随着综放开采技术的发展、推广和应用，国内外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，取得了一些较为一致的认识。普遍认为，综放开采是仍然存 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，而在某些条件下又表现出 较为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，这就要求人们在新的开采条件下，探讨 上覆岩层的活动规律和结构特点。总的来讲，我国专家学者在这一阶段对采场上覆岩层 结构的研究作出了重要贡献，成熟理论的代表主要有： 1 、“砌体梁结构”理论 该理论由中国工程院院士钱鸣高教授创立。钱鸣高教授根据现场观察到的实际情况 而推测的块体结构模型，可称之为点接触块体结构模型。钱鸣高教授于二十世纪6 0 年代 初就开始研究断裂岩块间的力学关系，在总结铰接岩块假说和预生裂隙假说以及在大量 生产实践及对岩层移动现场实测的基础上，于二十世纪7 0 年代末8 0 年代初提出了采场 裂隙带岩体的“砌体梁”结构模型理论。该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由 每个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷，在水平推力作用 下，断裂后且排列整齐的坚硬岩块可形成铰接关系，此结构具有滑落和回转变形两种失 稳形式。“砌体梁结构”理论给出了采场上覆坚硬岩层周期断裂后形成平衡结构的条件， 并阐述了采场来压、支架围岩关系等一系列问题。该理论的重要意义主要表现在开采 后采场上覆岩层结构形态的解决为采场给出了具体的上部边界条件，同时为论证各项采 场矿山压力控制参数奠定了基础，因此受到国内外同行的高度评价。 2 、“传递岩梁”理论 坐查型垫查堂堡圭堂丝堕奎! 堕丝 这是由中国科学院院士宋振骐教授于二十世纪8 0 年代初提出的。宋振骐教授以“上 覆岩层运动为中心”建立的实用矿山压力理论体系的最大特色是“实用性”。该理论认为： 老顶岩梁对支架的作用力取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在“给定变形”和 “限定变形”两种工作方式，并给出了在“限定变形”工作状态下支架一围岩关系的表 达式，即位态方程。工作面周围支承压力分布的内、外应力场理论也是该假说的重要组 成部分，即认为以老顶岩梁断裂线为界分为内、外两个应力场。此观点对确定合理巷道 的位置及采场顶板控制设计起到了积极的作用。这是一个针对煤矿采场不断推进的工程 特点，以岩层运动为中心建立的包括岩层运动和矿山压力预测预报、控制设计( 决策) 和控制效果判断为一体的理论体系。这一理论体系揭示了矿山压力分布、显现与岩层运 动之间的关系，建立了依靠现场容易得到的“矿山压力显现”数据来预测预报岩层运动 和矿山压力分布( 包括压力分布范围、压力高峰位置等) ，监控和判断控制效果的井下岩 层运动观测研究方法，实现了理论和方法的统一。 3 、其它相关研究成果 原西安矿业学院邓广哲在1 9 9 4 年通过放顶煤现场实测和立体相似模拟分析，探讨了 放顶煤采场上覆岩层运动的拱结构特征及矿压和控制规律，借鉴拱壳结构力学分析方法， 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；煤炭科学研究总院北京开采 所闫少宏、贾光胜在1 9 9 6 年基于放顶煤开采上覆岩块运动特点引入了有限变形力学理 论，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原因；兖州矿 业集团赵经彻、陶廷云在1 9 9 7 年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、地表沉陷特征以及支承压力大小 及分布特点进行了分析和探讨，建立了相应的计算模型；张顶立在1 9 9 8 年提出了“砌体 梁”与“半拱”式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采放顶煤工作面矿压显现复杂化的主要原因；太原理 工大学贾喜荣在1 9 9 8 年基于“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 非承载层的基本判据：原山东矿业学院矿压所杨淑华、姜福兴1 9 9 9 年在现场观测和动力 学分析的的基础上，研究了综放采场支架载荷有时比分层开采大而有时小的力学机理， 给出了综放采场的两种典型顶板结构以及它们的静力和动力学特征；中国矿业大学陆明 心、郝海金、吴健2 0 0 2 年认为综放工作面上覆岩层存在比分层开采层位更高的平衡结构， 6 些查型垫盔堂堡主兰垡丝兰! 堑丝 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；姜福兴在1 9 9 4 年认为放顶煤采场的顶板结构由顶煤、直接 顶和老顶组成。尽管老项在顶板控制中不是主要对象，但老顶的周期运动在支架上产生 周期性的压力，在直接顶上方存在一个传递力的结构。放顶煤采场老顶的结构有三种， 分别为“煤一煤结构”、“岩一矸结构”、“岩梁结构”。由于“煤一煤结构”、“岩一矸结构” 为块度小的顶煤或矸石组成的拱式平衡结构，其失稳为变形失稳，对采场支架构成的威 胁小，而“岩梁结构”出现在煤层上存在大厚度坚硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤较薄 时，直接顶内不再存在小结构，直接顶的作用力必须由支架全部承担，采空区充填不满， 坚硬老顶运动将对采场支架产生较大的作用。近几年高延法教授从地表沉陷控制研究出 发提出了岩移“四带”模型；姜福兴教授根据覆岩各部分岩层的工程特点、易形成的矿 井灾害、结构形态、从属的研究方向，提出了采场覆岩结构的系统模型与系列模型的概 念，将煤层开采后上覆下覆岩层分为底板区、顶板区、裂隙区、缓沉区、表土区，各区 之间的模型参数是相互联系影响的；马庆云博士从岩层的运动过程以及岩层运动完成后 结构特征出发，考虑采场矿压控制、特殊开采和地表控制的系统工程，将破坏移动后的 上覆岩层划分为五个带，或说“五带”模型。这一切都证明，采矿技术必须从传统的多 方向纵深研究拓展到多方向协调研究。 二十世纪9 0 年代对岩层控制理论的深入研究导致“关键层”理论的产生。该理论认 为，当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、离层和地表沉陷的一系列矿压 显现规律主要受坚硬岩层中这一层或几层被称为关键层的岩层控制，主关键层与亚关键 层、亚关键层与亚关键层之间变形不协调导致了岩层移动中的离层与裂隙的产生。“关键 层”理论将关键层的破断规律进行了研究并给出了关键层判据。很显然，采场上覆岩层 中的关键层理论把采场矿压、岩层移动、地表沉陷等方面的研究在力学机制上有机地统 一为一个整体，为岩层控制理论的进一步研究奠定了基础。 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，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。 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 1 3 课题主要研究内容 本论文的主要研究内容是： 1 、综合分析和研究采场覆岩空间结构及其与水、构造间的相互作用及灾变机理，分 析综放工作面的矿压规律特点，并进行总结和归纳，从而得出在综放条件下，影响采场 矿山压力及其显现异常的条件和因素。 2 、结合综放工作面覆岩运动规律，以鲍店煤矿5 3 0 7 工作面为原型，建立相似材料 模型，分析研究在采动和断层的双重影响下，采场上覆岩层的破坏规律和形态。 3 、分析前人在矿山压力及其显现数值模拟方面所做的工作及其判据，提出本文数值 模拟所用判据，并以实例反演计算验证。通过对相同地质条件下断层的不同倾角和垂高 的模拟分析，得出采动条件下断层因素对矿山压力的影响。 4 、总结分析相似模拟和数值模拟结果，根据原型工作面支架工况、采场地质水文条 件等现场实测的条件，分析发生矿压显现异常现象的水文地质条件、力学条件，揭示矿 压显现异常的机理，从而验证模拟结果和结论的正确性。 5 、针对综放采场开采所处的力学环境、围岩变形破坏规律、支架一l 虱岩相互作用关 系以及顶板运动与构造灾变的新特点，结合大量的现场实测资料，建立综放条件下采场 压力异常的预测新方法。 6 、建立矿压异常预测、监测与综合控制体系。通过预测预报矿山压力异常区以及在 此范围内压力情况，在异常区内监测开采过程中构造活化与岩层断裂灾变，并依此制定 岩层控制方案，提出综放工作面压力及其显现异常的综合防治措施。 1 4 课题研究方法 1 、深入现场调研、收集各种综放工作面条件下矿压显现异常的相关资料，为本课题 研究提供真实、可靠的基础数据。 2 、现场采用电磁c t 等方法对构造、冲刷带、煤厚变化、水文等地质异常的采前精 细探测。为顶板结构模型的建立与矿山压力异常显现的预测提供基础条件。 采用k z l 一3 0 0 型煤矿巷道顶板离层自动监测报警系统、超前顺槽固定测站，对顺槽 围岩稳定性与灾变情况、支护系统可靠性进行监测分析。 在工作面采用z y d c 一i 型压力遥测系统监测支架载荷并且同时记录片帮深度、冒落 生奎型垫查堂堡主兰垡笙壅! 堕丝 高度、端面距、悬顶距、冒宽、安全阀开启率等宏观矿压显现，研究矿山压力显现规律。 3 、实验室进行相似材料模拟试验，揭示构造随采动的运动情况，分析构造活化的机 理，为建立构造作用下的结构力学模型提供基础。 4 、采用大型a n s y s 数值分析软件，对开采后的顶板结构、构造周围应力与变形进 行分析，获得顶板结构、应力与变形等之间的规律，为研究矿山压力异常显现规律提供 基础。 5 、以上覆岩层结构演化的理论研究为中心，结合数值分析、相似模拟等手段，在理 论上提出覆岩空间结构在水、构造相互作用下的灾变机理。 6 、采用模糊数学、统计分析等方法建立压力异常的预测新方法和公式。 7 、根据对综放采场的覆岩破坏、压力异常及其显现机理研究以及现场实践，建立了 压力异常预测、监测及综合控制体系。 8 、以现场控制实践检验理论研究成果。 1 5 创新点 1 、多因素影响下覆岩破坏机理研究。在综放采场覆岩空间结构在水、构造相互作用 下，受放顶煤方法的影响，覆岩构造的活化灾变以及构造周围应力与变形机理。 2 、建立综放工作面矿山压力异常区判别方法。利用相似材料模拟和大型工程分析软 件a n s y s 8 0 ，采用滑动单元来对断层的活化进行数值模拟。通过对相同地质条件下断 层的不同倾角和垂高的模拟分析，得出断层因素对矿山压力的影响范围。充分结合相似 模拟和数值模拟的各自优点，分析总结出综放工作面矿山压力异常区，并预计异常压力 值的大小。 3 、建立综放工作面矿山压力异常的预测新方法。综合考虑矿山压力及其显现的影响 因素，在统计分析的基础上，应用模糊数学和统计学理论，建立各因素评价指标，获得 综放工作面采场压力异常预测新方法。 4 、建立综放工作面矿山压力异常的预测、监测及综合控制体系，并制定相应的岩层 综合防治措施。 9 山东科技大学硕士学位论文2 综放采场覆岩结构及破坏的基本规律研究 2 综放采场覆岩结构及破坏的基本规律研究 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，同时考虑到支架直接支 撑的是松软顶煤，“支架一围岩”关系发生了较大的变化，从而使综放采场的矿压显现趋 于复杂化。单一煤层开采( 包括薄煤层、中厚煤层和厚煤层顶分层开采) 时，支架直接 支撑的是完整性较好的直接顶岩层，与煤体具有明显的分界面，且两者强度差异较大。 由于一次采出煤体的空间较小，直接顶垮落后对采空区充填比较充分，因此工作面上覆 岩体冒落带及裂隙带发展高度较小。老顶断裂时，其回转运动首先通过直接顶作用于支 架顶梁，呈现支架增阻现象。综放开采时，直接与支架作用的是裂隙较为发育且整体稳 定性较差的顶煤，在支承压力作用下支架上方的顶煤渐进破碎和垮落。为了更加准确的 研究综放采场覆岩结构及破坏规律，本文先从上覆岩层的力学模型、结构的形态以及断 裂破坏条件入手，从而为分析综放采场覆岩结构及破坏规律提供基础。 2 1 覆岩受力状态 在综放工作面，由于覆岩在边界处于不等高支承条件，则岩梁在端部断裂回转下沉 过程中，必然导致其自身在采空区方向的水平与垂直位移，根据钱鸣高院士的研究发现， 此运动过程的结构及力学模型如图2 1 所示。在此模型中各岩块间由于岩梁的回转而在 咬合点( 铰接点) 产生水平推力( 挤压力) 。 图2 1 任一岩梁结构及受力模型”“ f i g 2 1s t r u c t u r ea n db e a r i n gm o d e lo f a n yr o c kb e a m 图中：t 一水平推力； c 一每一岩块的长度； r 一下位岩层对上位岩层的阻力及各块间的剪切力； o 一每一岩块的重量； s 一每一岩块的下沉量； 1 0 些至型垫奎堂堕主兰垒笙苎! 堡塑墨堑里塑笙塑墨堕堑塑苎查塑堡竺墅 n 一每一岩块的斜率，疗：坐。 列出模型中所受力的方程组为： 妣 = 瞳酝 ( 2 1 ) 式中：池卜一力矩列阵； 一力列阵。 解方程组得： 寸警悄” 啊t 巾吃。 泣z ， 将相邻两块岩块的斜率近似相等，则得结构回转下沉时的水平推力为： r ：鱼亟( 2 3 ) 1 2 ( m 一s ，o ) 由式( 2 3 ) 可知组合结构厚度n l 和裂断步距c 愈大，则水平推力t 值将愈高，当 组合结构沉降量s 接近结构厚度时，则水平推力t 将增加到很高的数值。对于采空区中 部产生微裂隙的弱导水裂隙带岩层，在此水平推力作用下闭合变为非导水裂隙带。而对 于回转下沉部分的岩梁，其靠近边界侧的端部裂隙则由于其向采空区方向的运动而使岩 层上部裂隙张开，其下部咬合点处的水平推力若超过其单向抗压强度还会进一步产生破 碎，其导水性增强，从而使上覆岩层结构发生破坏，导致结构稳定性下降。 2 2 覆岩破坏机理圈2 1 ”3 由于采场上覆悬露岩层运动破坏形式决定着矿山压力显现规律及其控制要求，所以 必须研究上覆岩层运动以及破坏的基本形式。由于覆岩的力学性质不同，上覆岩层的基 本破坏形式一般有两种：一种是弯( 拉) 破坏，另一种情况是剪( 切) 破坏。在相同条 件下，岩梁首先产生拉伸裂隙，但当岩梁厚度较大且刚度较高而产生的弯曲沉降不大时， 由于拉应力超过岩梁抗拉强度在梁端头产生的裂隙未贯通岩梁全厚，当工作面推至岩梁 部分开裂位置时，上覆岩层在剩余抗剪断面上形成的剪应力超过其抗剪强度，岩梁则被 剪断而冒落。 2 2 1 弯( 拉) 破坏 随采场不断向前推进，上覆岩层悬露，在其重力的作用下弯曲下沉，当其弯曲沉降 坐查型垫查堂堡主兰垡笙苎! 堡墼墨堑里堂堕塑墨壁堑堕苎查壑堡竺塞 发展至一定程度以后，在伸入煤壁的端部开裂，岩层由固支梁转化为简支梁，最大弯矩 由梁的端部迅速转移到梁的中部，使岩梁开裂、冒落，形成“假塑性岩梁”。岩梁的断裂 和冒落过程可以分为两种情况：一是当其下部冒落空间大于上覆岩梁的最大沉降值时， 岩层冒落：二是当其下部冒落空间小于上覆岩梁的最大沉降值时，岩层发展成为“假塑 性岩梁”。 把每一组同时运动( 或近乎同时运动) 的岩层看成一个运动整体，称为“传递力的 岩梁”，简称“传递岩梁”。根据宋振骐院士的传递岩梁理论，可知两岩层在自重作用下 同时运动的临界条件： e x h x2 1 2 5 4 e 吃2 ( 2 4 ) 式中：e ，e ：一分别为下、上岩层的弹性模量； h x ，h s 一分别为下、上岩层的厚度。 否则，岩层分开运动，形成独立的传递岩梁。 根据岩层的断裂破坏特点，研究岩梁在初次断裂时的破坏情况。 2 2 1 1 下部冒落空间大于岩梁的最大沉降值 根据所研究问题的对称特点，建立如图2 2 所示的力学模型。传递岩梁及基础( 煤 体) 均为粘弹性岩体，本构方程为( 如图2 3 所示) ： 盯= e c + ，7 稷( 2 5 ) 0 h i x k pi , 一 z 1 e 图2 2 顶板岩梁的受力模型图2 3 岩体流变模型 f i g 2 2b e a r i n gm o d e lo f r o o f r o c kb e a mf i g 2 3m o d e lo f r o c kr h e i d i t y 假设传递岩梁与基础之间无任何缝隙，即在任意瞬间任何点上梁的挠度( 垂直位移) 与该点基础的下沉相等。 由弹性力学的知识可以求得上覆岩梁内的弯矩为： m ( x , t ) - 譬 1 一e 冲卜耵) 】e x p ( 一至l ( 警+ d s i n 呼工) + ，c 。s 唾x ) l ( z 6 ) 1 2 山东科技大学硕士学位论文2 综放采场覆岩结构及破坏的基奉规律研究 墨：生：i ( 2 7 ) q 6，7 。 式中：p 一传递岩梁的自重，p = 加； 卜一传递岩梁的悬顶距； e b 一传递岩梁的弹性模量； 仇一传递岩梁的粘性系数； e p 一基础的弹性模量； r l 。一基础的粘性系数； c 一基础抗力系数； 卜传递岩梁压力波的半波长，k 石浮； i 一传递岩梁的断面对水平轴的惯性矩； m - - 基础的厚度。 当t = - o 时，岩梁内弯矩m ( x ，0 ) = 0 。当，呻o o 时，弯矩最大，传递岩梁内弯矩分布如 图2 4 所示。 蜘卜导e 坤卜纠洋钠s ；睁c o s ( - i ”x ， 汜s ， 令丝丝! ：0 1 彘 则有： 0 一! 二_ ! 一 xcp “ 。0 j 二；二霉2 夏至z 一 图2 4 顶板岩层内部的弯矩图 f i g 2 4b e n d i n g