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太原理工大学硕士研究生学位论文 综放工作面巷道围岩稳定性研究 摘要 综采放顶煤回采巷道，由于它为全煤巷道且所受应 力复杂，如巷道掘进中的围岩应力、以及先后两个工作 面的采动应力，所以对该巷道稳定性的研究就显得极其 有意义。本文对回采巷道稳定性研究的主要内容与研究 成果有： l 、利用数值模拟的方法模拟了工作面的推进过程， 研究了回采工作面推进过程中采空区以及侧向煤体的 应力发展规律，得出随着工作面的推进，顶板垮落高度 的增加，煤柱垂直应力的核心区逐渐上移直至未垮落岩 层高度，水平应力变化不大。 2 、利用数值模拟的方法对综采放顶煤的工作面侧 向支承压力作了详细的研究，得出了开采深度、煤体强 度以及煤层厚度这三个因素对工作面侧向煤体稳定性 特征的影响规律，为合理选择护巷煤柱的宽度提供了计 算公式。 3 、利用数值模拟的方法对综采放顶煤的回采巷道 稳定性进行了研究，得出了开采深度、煤体强度以及锚 索长度这三个因素对工作面侧向回采巷道稳定性的影 响规律。 4 、利用相似模拟试验的方法对煤柱的宽度以及锚 索的作用机理进行了研究。 奎堕堡三奎堂堡主堑塞生堂垡垒苎 关键词：综放开采，回采巷道，三维数值模拟，相似 材料模拟，稳定性 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c k o nm l n i n gg a t e w a yf o rf 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 gf a c e a b s t r a c t t h em i n i n gg a t e w a yo ff u l l ym e c h a n i z e ds u b l e v e l c a v i n gf a c e i su n d e rt h ec o m p l e xs t r e s sc o n d i t i o n s u c h a s d y n a m i c s t r e s s g e n e r a t e db yg a t e w a yd r i v i n g a n d m i n i n g s t r e s s b y t h et w or e l a t e d w o r k i n g f a c e s e x t r a c t i o n 。o na c c o u n to ft h i s ，i ti s g r e a ti m p o r t a n t t o c o n d u c tt h er e s e a r c h o nt h e s t a b i l i t y o f m i n i n g g a t e w a y s t h e a u t h o rs t u d i e do nt h e s u b j e c t o fm i n i n g g a t e w a ys t a b i l i t y t h e m a i nc o n t e n t sa n dr e s e a c h a c h i e v e m e n ta r es u m m e r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，b yu s i n g t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ea d v a n c i n gp r o c e s so ft h ew o r k i n gf a c ei s s i m u l a t e d ，a n d t h es t r e s s d e v e l e p i n gr e g u l a t i o n f o rt h e g o ba n di t s s i d ed i r e c t i o nc o a l b o d yi ss t u d i e d t h ep a p e r d e r i v e st h ec o n e l u s i o nt h a tt h e c o r ez o n eo fv e r t i c a l s t r e s sf o rc o a lp i l l a r sm o v e du p w a r dt i l l r e a c h i n gt ot h e h e i g h to fn o n - c a v i n gr o c k s t r a t aw i t ht h ew o r k i n gf a c e a d v a n c i n g a n d c a v i n gh e i g h ti n c r e a s i n g a n d t h e v a r i a t i o no fh o r i z o n t a ls t r e s si sm i n o r s e c o n d l y ，b yu s i n g t h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rc o n d u c t st h e d e t a i l e dr e s e a r c ho n s i d ed i r e c t i o n a lb e a r i n gp r e s s u r ef o r f u l l y m e c h a m i z e d s u b l e v a lc a v i n gf a c e ，a n do b t a i n st h er e g u l a t i o nt h a tt h r e e f a c t o r s ，1 e m i n i n gd e o t h ，c o a lb o d ys t r e n g t h a n dc o a l s e a mt h i c k n e s sd e t e r m i n et h es t a b i l i t y0 fs i d e d i r e c t i o n a l i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o a ls e a m t h ef o r m u l a rt o c a c u l a t et h e p r o t e e t i v e c o a l p i l l a ri sp r o v i d e di nt h ep a p e r t h i r e d l y ，b yu s i n g t h em e t h o do f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e so nt h es t a b i l i t yo fg a t e w a y o ff u l l vm e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n gf a c e ，a n do b t a i n st h e r e g u l a t i o nt h a t t h r e ef a c t o r s ，i e m i n i n gd e p t h ，c o a lb o d y s t r e n g t h a n dc a b l el e n g t hi n f l u e n c et h es t a b i l i t y o ft h e s i d ed i r e c t i o n a lg a t e w a y s f i n a l l y ，b yu s i n g t h em e t h o do fs i m i l a r m a t e r i a l s i m u l a t i o n ，t h es u b j e c t s o n d e t e r m i n i n g t h er e s o n a b l e p i l l a r w i d t ha n dm e c h a n i s mo fc a b l i n ga c t i o n i sl u t h e r s t u d i e d k e y w o r d s ：f u l l y m e c h a n i z e ds u n l e v e lc a v i n gm i n i n g ，m i n i n gg a t e w a y ，t h r e ed i m e n s i o n n u m e r i cs i m u l a t e i o n ， s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n ，s t a b i l a t y 太原理工太学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 综采放顶煤巷道围岩稳定- 陛的研究意义 我国厚煤层资源十分丰富，可采储量占生产矿井总量的4 5 以上，其 中五米以上特厚煤层占有相当比重，现在拥有五米以上特厚煤层的生产矿 井数为生产矿井总数的4 06 0 。可见厚煤层开采技术水平如何既大影响 着我国煤炭企业的技术面貌经济效益。综放开采就是综合机械化放顶煤开 采，是利用采煤机开采厚煤层的底分层，使其顶部煤体在自重和矿山压力 的作用下破碎、跨落。放顶煤开采作为开采厚煤层的一种方法，原在1 9 5 7 年苏联的库兹巴斯矿井进行过试验。1 9 6 4 年法国又在布朗基矿利用带“香 蕉型”尾粱的放顶煤支架进行试验，并首先取得成功。其后，各主要产煤 国家对厚煤层开采工艺和技术装备进行了大量的试验和研究，普遍认为放 项煤开采是开采厚煤层的有效方法之一，所以放顶煤开采在世界各主要产 煤国家相继得到推广和应用。我国在1 9 8 2 年开始了综采放顶煤的试验研 究，至今已有二十多年历史【1 1 4 l 。实践证明，在条件适宜的情况下能取得 良好的经济效益与社会效益，是一种高产、高效、安全、低耗的采煤方法， 是一种非常有发展前途的采煤方法。 采用综放开采技术时，一般沿煤层底板开掘工作面轨道巷、皮带巷和 回风巷，巷道的顶板和两帮全部为煤体，为全煤巷道。这类巷道是为综放 工作面采煤服务的，称为综放回采巷道。新的煤矿安全规程要求综采 工作面运输巷的净断面不小于1 2 m 2 ，以及对应用放顶煤综采技术的高效 工作面在煤炭运输、通风等方面的特殊要求，综放回采巷道的断面往往很 大。加上综放回采巷道的围岩为松散、破碎的煤体，所以，一般情况下巷 道维护极其困难。 太原理工大学硕士研究生学位论文 因为综放回采巷道是一种特殊巷道，其受力特征与普通的巷道不同， 所以迄今为止，对于综放回采巷道围岩的稳定性研究，还是不详细、不系 统的。因此，对综放回采巷道围岩稳定性的研究，是一个非常有意义的课 题。 1 2 综采放顶煤回采巷道围岩稳定性研究现状 迄今为止，放项煤技术在我国的研究已经有2 0 多年的历史了在国 内采矿工程界的专家学者们对综放开采的研究作了多方面的试验研究和 理论推导，取得了可喜的成果。但是，在放顶煤开采的研究上，对放顶煤 放顶冒放性研究得比较多而对综放综采中的工作面护巷煤柱和回采巷道 稳定性研究的还不是很完善。合理的确定煤柱的宽度是一个复杂的问题， 至今为止，对于工作面的护巷煤枉还没有一种能适应不同条件的完善的设 计理论和方法。英美和原苏联对护巷煤柱作了很多研究，提出了多种设计 方法。这些方法从设计原理上可分为两种，极限强度理论和渐进破坏理论。 根据极限强度理论提出的设计方法称为“刚性”煤柱设计；按渐进破坏理 论提出的计算方法，称为“屈服”煤柱设计。另外还有双煤柱理论等理论 方面的研究t 5 - tj 。 在实践方面主要有以下方面：中国矿业大学马占国等研究了潞安矿务 局王庄矿超长工作面的巷道矿压显现规律，得出随着工作面的推进和顶煤 的留落，工作面的超前支承压力影响在工作面前方4 0 米处开始出现，剧 烈影响区为工作面前方l o 米左右，至工作面推过后2 0 3 0 米，这段时间 的回采巷道变形速度为最快，巷道顶板煤层上部的直接顶岩石和两帮深部 3 米以外受采动影响较小【8 】。工作面巷道破坏主要受工作面前方支承压力 和侧方支承压力作用，其中由邻近已采工作面形成的侧方支承压力对巷道 影i 蜘时间最长、破坏最明显，它对巷道的破坏作用可分为2 个阶段：在巷 道掘进期间，与巷道开挖集中应力叠加对巷道的作用；在工作面回采期间 太原理工大学硕士研究生学位论文 侧方支承压力与工作面前方支承压力叠加对巷道的作用。侧方支承压力的 大小集中表现在巷道与邻近采空区的位置( 即煤柱的大小) 的关系。平煤集 团的张永灿等的研究表明 9 1 ：巷道围岩变形强度与煤柱宽度的关系为：在 巷道掘进和回采期间，宽煤柱( 1 5 m ) 巷道的围岩变形量小，并且随着煤柱 的增大，围岩变形量变化平缓；窄煤柱( 3 - 8 m ) 巷道的围岩变形量大，变形量 曲线在此范围出现峰值，并且随着煤柱减小，围岩变形量减小幅度较大。中 科院武汉岩土所的周保生博士对3 6 条综放回采巷道的实测资料进行了整 理分析，综合应用模糊数学和人工神经网络的方法对综放回采巷道围岩稳 定性进行了分类，根据围岩的稳定性，将3 6 条综放回采巷道分为3 个类别， 确定了各个类别的聚类中心。并且应用神经网络技术实现了综放回采巷道 锚杆支护设计。然后以目前我国综放回采巷道支护技术为基础，针对综放 回采巷道不同的围岩类别，提出了各类综放回采巷道的支护对策【1 0 1 。神东 公司的补连塔矿在生产的实践中，综合比较了留设1 0 米、1 5 米、2 0 米煤柱的情况，认为1 0 米煤柱下回采巷道破坏严重；而2 0 米的煤柱虽然 保证了回采巷道和煤柱的稳定，但是与1 5 米煤柱相比较，损失了经济效 益；在1 5 米煤柱的情况下，如果采用加强支护的方法也可以使回采巷道 的处于稳定状态，保证巷道的正常使用，且增加了5 米的煤柱资源，经济 效益显著。山东矿院的杨永杰，谭云亮【l2 】根据大量的实践资料回归出了 围岩变形量s 与煤柱宽度x 的关系式s ( x ) = o e “。b “h 。 1 3 本文研究内容与方法 本文针对综采放顶煤巷道稳定研究现状所存在的问题，运用有限差分 法数值计算方法和相似模拟实验的方法研究了综采放顶煤巷道稳定性的 问题，得出相应的结论。 1 、目前还没有一种十分成熟的理论能够合理的选择工作面侧向护巷 煤柱的宽度，只能通过弹塑性力学的一些公式和工程类比法，利用经验的 太原理工大学硕士研究生学位论文 方式确定。但是由于煤层赋存的条件各不相同，如煤层的埋藏深度、煤体 强度、煤层厚度、煤层顶底板岩性、煤层的夹矸、煤层的倾角等等，通过 经验的方式确定的煤柱宽度不一定能适应实际工程的需要。本文通过利用 拉格朗日有限差分法，采用计算机数值模拟，考虑煤层深度、煤体强度以 即煤层厚度这三个因素对煤柱宽度的影响，设计了1 6 个数值试验方案， 找出这三个因素对工作面侧向煤层特征值( 工作面侧向应力峰值、峰值位 置、破坏面积、破坏深度) 的影响规律，为确定合理的煤柱宽度找到了理 论的方法。 2 、现在人们还没有完全了解在工作面的采动应力作用下，在不同的 开采条件和支护方式下，工作面侧向巷道应力和变形的变化规律。本文采 用数值模拟的方式，研究了开采深度、煤体强度以及顶板锚索长度这三个 因素对工作面侧向巷道的应力和变形的影响规律。通过综合考察1 6 个数 值试验方案，找出了这三个因素对巷道各特征值( 应力峰值、应力峰值的 位置、破坏的面积、破坏深度、顶底板移近量、两帮的移近量等) 的影响 规律，从而对工作面侧向巷道的稳定性有了一个比较系统的研究。 3 、本文利用相似模拟实验，研究了不同煤柱宽度对回采巷道稳定性 影响的规律。并研究了锚索对巷道围岩的加固机理。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章工作面侧向岩体应力分布与变形规律的 三维数值模拟研究 2 1 前言 综放工作面侧向布置的回采巷道，不但作为第一个工作面的回采工作 的回风顺槽或瓦斯尾巷，还要作为下一个工作面的轨道顺槽或运输顺槽使 用。因此，该巷道不但要受到巷道掘进中原岩应力的影响，还要受到两个 回采工作面采动应力的影响。所以如果要使该巷道处于稳定的位置，就要 加大护巷煤柱的宽度，减小巷道所受的集中应力。而过多的增加煤柱的宽 度就会损失可回采的煤炭资源，降低煤矿的经济效益。本章采用计算机数 值模拟和正交试验的方法，研究了工作面侧向煤岩的应力变形规律，并拟 合出了工作面侧向煤岩体的各个力学特性随不同因素的影响曲线公式，为 不同地质条件的煤层确定合理煤柱宽度提供了依据。 2 2 数值试验方法 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题采用数值计算的 方法已经能够得到满足工程要求的结果，数值模拟技术是现代工程学形成 和发展的重要推动力之一。数值模拟研究在包括岩土工程在内的各个领域 已得到广泛应用，它能够解决许多用解析方法和相似材料模拟试验难以实 现或不能实现的工作。目前在工程技术领域内常用的数值模拟计算方法 有：有限元法、边界元法、离散元法和有限差分法等。就其适用性和应用 的广泛性而言，主要是有限元法。由于有限元法必须形成刚度矩阵，因此 s 太原理工大学硕士研究生学位论文 需要的内存比较大。本文采用三维有限差分法，该方法与有限元法相比， 不需要形成刚度矩阵，因此所需内存较小。另外，由于有限差分法需要形 成刚度矩阵，所以可以解决大位移和大变形的问题，而有限元法不能解决 大位移和大变形的问题。 2 3 正交试验设计方法及试验方案 2 3 1 正交试验方法简介 数值模拟在岩土工程领域的应用上有很大的困难，其主要原因是数值 模拟计算结果的准确性和可靠性除了取决于计算模型与原型的符合程度 外，在很大程度上是由计算中所用的数据( 岩土介质的各种物理力学参数) 的准确性和可靠性决定，但是由于岩土性质、状态以及赋存条件的复杂多 样性，这些数据的准确测定在目前是一个尚未完全解决的难题。为此，八 十年代初期开始，就有不少学者致力于从新角度，新途径应用数值方法求 解岩土工程中的实际问题，各种以数值方法为基础的新的方法不断出现， 如位移反分析法、应力反分析法、单因素对比分析有限元法等。其中以单 因素有限元分析法应用较为广泛，但这种方法有其缺点，虽然对岩土介质 的精度没有过高的要求而只对比在因素取不同水平值时，对计算结果的影 响即可分析出该因素是以怎样的方式对所研究的问题发生影响的，但实际 工程中大量存在的是众多因素交织一起共同发生作用。这样，如果仍以单 因素对比法为基础，进行多因素问题的全面试验分析，则许多实际工程问 题因计算工作量太大而难于实施。为了克服以上困难，煤科院、开采所的 李争鸣、牛锡淖、姚建国等学者将正交试验分析法引入到有限元计算中， 把每一次数值计算当作一次数值模拟试验，以正交试验法设计有限元的计 算方案，并将得到的这一一系列计算结果按正交分析法整理，由此可得到不 同参数的变化对计算结果的不同影响，并将得到的这一系列计算结果按正 交分析法整理，由此可得到不同参数的变化对计算结果的不同影h l f ! | ，并将 6 查星望三盔兰堕主堕窒竺堂垡笙塞 单一因素的影响从中结果中分离出来，从而有效地避免了以往的数值计算 中由于对岩土介质参数要求过高而造成的困难，而且，利用正交设计手段， 只做部分试验，即可找出总的规律。 正交试验法是研究多因素、多水平问题的一种比较经济，合理的试验 方法。其核心是它的均衡搭配原则。即：( 1 ) 确保每个因素的各个不同水 平在所有的试验中出现相同的次数。( 2 ) 确保每两个因素的各种不同搭配 在所有试验中出现相同次数。在这种均衡搭配的基础上，就可以对试验结 果进行综合比较，用为数不多的试验反映全面试验结果。例如：对于一个 四因素三水平的试验问题，采用正交法试验只需9 次试验而按照全面试验 法则必须进行8 1 次试验。可见其经济、合理。 为了说明正交试验法的均衡搭配性和以这种均衡搭配性为基础的综 合分析法，给出以下一个四因素三水平的正交表，见表2 1 。这是一个 四因素问题，每次试验结果用y i 表示，四个因素为a 、b 、c 、d 。表中 数字表示对应因素所取水平值。例如，第一次试验，各因素均取各自的第 一水平值，试验结果记为y l ，依此类推。观察表2 1 可知，对于因素a ， 按照水平值的不同对试验结果y l y 9 进行分组，则在同一组的试验结果， 其对应的各因素的取值有这样特点，即：除因素a 在每一组中只有一个 水平值( 因为是按因素a 的水平值进行分组) 以外，其它因素的各个水 平值都出现过，并且出现次数相同。那么，如果对这种分主情况下的各组 试验结果求平均值，并设其值为y a t 、y a 、y a ”则y a 。、y a 、y a u t 的 变化趋势就反映了因素a 以词曲第一、第二和第三水平试验结果的变化情 况。即：通过分组求平均值的方法将因素a 与试验结果间的相互关系，同 样对其它因素作相同处理，我们可以得到其他因素与试验结果的数值关 系，见表2 2 。再对表2 的每一列分别进行回归和方差分析，便可以确 定不同因素与试验结果的相互关系以及各因素对试验结果的影响程度和 它们的相对权重。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1四因素三水平正交试验表 列号 ab cd y 试验八1234 ll1 1 1 y 1 21222 y 2 3l 333 y 3 42123 y 4 5 22 31 y 5 62l2 y 6 73】2 y 7 8 7 l3 y 8 93321 y 9 表2 2 试验结果分析表 因素 承乎 a b cd i 水平y a ly b ly c l y d i i i 水平 y a hy n l iy c y d i 【 i i i 水平y a y b i l lv c i i 【y d 【】l 2 3 2 数值模拟条件概况 本论文选用了山西鲁能集团上榆泉矿的基本地质条件，设计了三因素 四水平的正交试验方案见表2 3 ，即开采深度：1 0 0 m 、2 0 0 m 、4 0 0 m 、 6 0 0 m ；煤体( 抗拉) 强度为1 m p a 、1 5 m p a 、2 m p a 、2 ，5 m p a ：煤层厚度： 6 m 、8 m 、1 0 m 、1 2 m 。 地层条件：根据岩石力学试验的结果，并考虑到尺寸效应，确定各层 煤、岩体的力学参数见表2 4 所示。( 表中煤1 煤4 为所选煤体强度) 地应力条件：初始水平应力大于垂直应力，取为口。= 1 h x 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 3数值试验的正交试验设计方案 别号 试验号 开采深度m煤体强度m p a煤层厚度m 11 0 0 l 6 21 0 01 58 31 0 0 2 1 0 41 0 02 51 2 5 2 0 0l 8 62 0 01 56 7 2 0 0 2 1 2 82 0 02 51 0 94 0 011 0 1 04 0 01 51 2 1 14 0 026 1 24 0 02 58 1 36 0 0l1 2 1 46 0 01 5l o 1 56 0 028 l 66 0 02 5 6 2 3 3 数值模型的建立 采煤工作面长度为2 0 0 m ，取工作面中线上的垂直面为对称面。运输 顺槽宽为5 米，且工作面侧向煤层取6 0 米宽，则模型宽度为1 6 5 m ：考虑 现场实际观测到的工作面采动侧向应力对尾巷的影响范围为前方2 0 m 、后 方9 0 m 左右，取模型在工作面推进长度方向的尺寸为1 8 0 m ；模型的上边 界取煤层顶板厚度6 0 m ，下边界取煤层底板厚度2 0 m 。模型的三维尺寸 为长宽高= 1 8 0 m 1 6 5 m 9 0 m 。整个模型共划分为5 0 4 0 0 个单元， 5 5 6 3 2 个节点。模型的三维几何图形及边界条件见图2 1 所示，模型侧 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 4煤层及其顶底板岩层的岩性、厚度与物理力学参数 层厚密度 抗拉弹性 泊松 粘结体积剪切内摩 岩性 强度模量力模量模量擦角 m k g m 。 比 m p ag p a m p ag p ag p a 。 砂质泥岩42 6 0 02 0 23 9 7 70 3 4 23 24 1 9 51 4 8 24 1 6 中砂岩 1 02 5 2 03 0 8l ，4 8 80 3 0 44 61 2 6 50 5 7 l2 9 7 6 砂质泥岩 5 52 6 0 02 0 239 7 70 ，3 4 23 24 1 9 5 1 4 8 2 4 1 6 8 ：煤1 51 3 6 01 0 60 ，4 3 70 3 9 01 60 5 6 00 1 5 72 5 1 2 钏砂岩 3 52 5 8 02 6 621 5 90 2 4 74 7 6l ，4 2 20 8 6 63 5 6 8 泥岩 3 12 6 5 02 2 8l9 4 2o3 7 13 1 42 4 9 90 7 0 83 3 0 4 砂质泥岩 2 9 3 2 6 0 0 2 0 239 7 70 3 4 21 2 4 1 9 5 1 4 8 24 1 6 中 l l 砂岩3 9 92 5 0 0 3 0 8 】4 8 80 3 0 4461 2 6 60 5 7 l2 9 7 6 9 # 煤 2 11 3 6 01 0 604 3 70 3 9 01 60 6 6 00 ，1 5 72 5 1 2 岛l ；砂岩 2 3 2 5 8 0 2 6 62 1 5 902 4 74 7 61 4 2 20 8 6 63 5 6 8 砂质泥岩 2 22 6 0 02 0 23 9 7 70 3 4 23 24 1 9 51 4 8 24 1 6 泥岩 o 。82 6 5 02 2 81 9 4 20 3 7 l3 ，1 42 4 9 90 ，7 0 83 3 0 4 砂质泥岩 1 2 92 6 0 02 0 23 9 7 70 3 4 23 24 1 9 51 4 8 2 4 1 6 中棚砂岩 1 6 82 5 0 03 0 81 4 8 80 3 0 44 612 6 60 5 7 l2 9 7 6 砂质泥岩 2 9 92 6 0 02 0 23 9 7 70 3 4 23 24 1 9 51 4 8 24 1 6 鱼1 1 砂岩 2 1 l2 5 8 02 6 62 1 5 90 ，2 4 74 7 61 4 2 20 8 6 63 5 6 8 籼砂岩 23 32 5 0 016 l1 1 6 80 2 3 82 ，40 7 4 20 4 7 22 2 4 中= f i 砂岩1 0 62 5 2 030 81 4 8 8 0 3 0 4 4 ，6 1 2 6 6 o 5 7 1 2 9 7 6 细砂岩2 7 32 5 8 02 6 62 1 5 902 4 74 7 61 4 2 20 8 6 63 5 6 8 泥岩 1 5 32 6 5 02 2 81 9 4 20 3 8 03 1 42 6 9 70 7 0 33 3 0 4 煤11 3 6 01 0 00 7 0 00 4 0 0】1 1 6 70 2 5 01 5 煤2 1 3 6 01 5 01 2 0 0o 3 5 01 51 3 3 30 4 4 42 2 媒31 3 8 0 2 0 01 7 0 0 0 3 0 0 21 4 1 70 6 5 42 9 煤41 3 6 02 5 02 2 0 00 ，2 5 02 51 4 6 70 8 8 03 6 砂质泥岩 22 6 0 02 0 23 9 7 70 3 4 23 24 ，1 9 51 4 8 24 1 6 中砂岩52 5 2 0 3 0 81 4 8 80 3 0 44 61 2 6 60 5 7 l2 9 7 6 1 尼岩 82 6 5 02 2 81 9 4 2 0 3 7 l3 1 42 4 9 90 7 0 83 3 0 4 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 爨爨 司匿| 蒌|匿 司窿鞠匡 啮研照砸巾嗜酮耐 一“ ( c ) 图2 1 模型的几何尺寸、网格划分、边界条件 f i g u r e 2 - l g e o m e t r ys i z e ，g r i da n db o u n d a r yc o n d i t i o no fm o d e 面限制水平位移，底面限制水平和垂直位移，上部施加上覆岩层的均布垂 直应力。 在计算过程中，采用m o h r c o u l o m b 屈服准则判断岩体的破坏，即 兀= 0 - 1 0 - 3 n + 2 c ( 2 1 ) = 0 - 3 0 - l ( 2 - 2 ) 式中，q ，分别为最大和最小主应力；c ，分别为材料的粘结力和内 摩擦角；0 - ，为抗拉强度；n d = ( 1 + s i n ) ( 1 一s i n ) 。当 = 0 时，材料将发 生剪切破坏；当上= 0 时，材料将产生拉伸破坏。 2 3 4 采空区的模拟 采空区冒落的矸石是一种松散介质，它对顶板支承的力学作用可以近 太原理工大学硕士研究生学位论文 似看作弹性支承体。随工作面的推进，冒落矸石在覆岩作用下逐渐压实， 弹性模量e 和泊松比u 随时间和工作面推进距离而改变“”“3 ，即。 e = 1 5 + 1 7 5 ( 1 一e “2 5 ) ( 2 3 ) 掣= 0 0 5 + 0 2 ( 1 一p 一12 5 ) ( 2 4 ) 式中，t 为时间，a 。一般综采工作面推进4 0 6 0 m 后，采空区后方的冒 落矸石逐渐被压实【h 】，而综放面推进1 3 9 m 后采空区矸石才处于压实的稳 定状态，其碎胀系数为1 1 1 。从另一方面来说，碎胀系数与上覆岩石 的压力之间呈对数关系，即 k = n i n p + b ( 2 5 ) 式中，k 为碎胀系数：a ，b 为回归系数；p 为上覆岩层的压力。综合考虑 采空区冒落矸石的物理力学特性及其变化规律的已有研究成果，在计算中 合理的选取采空区冒落矸石的物理力学参数。为了真实地模拟实际回采过 程中冒矸的支承作用。计算中动态改变局部材料特性，逐步提高采空区矸 石的物理力学参数。 2 4 工作面侧向岩体应力分布特征及其变化规律 2 4 1 数值计算结果概述 在数值模拟计算过程中，随着工作面的推进，工作面后方顶板岩石逐 渐垮落。在采空区顶板岩石未跨落时，采空区没有垂直应力和水平应力， 采空区的顶板受拉应力。随着工作面向前推进。顶板岩石垮落。且垮落高 度随着工作面的推进增加，直到顶板较为坚硬的一层岩石为止。而采空区 随着顶板岩石的垮落，最初为松散的矸石堆，高度逐渐增加，直到与未垮 落的顶板接触，随后采空区的垂直应力和水平应力，随着老顶岩石的弯曲 下沉和垮藩矸石的压缩，逐渐增加，直到恢复至接近于原岩应力。在工作 面前方和工作面后方2 0 米时，侧向煤岩的应力集中区主要位于工作面侧 向2 3 米，煤壁上方2 5 米。但是随着直接顶和老顶的垮落、断裂以及 弯曲下沉，侧向岩体的垂直应力集中区域逐渐升高，直到未垮落的坚硬岩 太原理工大学硕士研究生学位论文 层：而水平应力随着工作面的推进增长非常缓慢，在煤层中不能形成应力 集中区，这是因为垮落带比较高，顶板侧向缺少约束所造成的。工作面侧 向煤岩应力变化剧烈的范围为工作面前方2 0 米到工作面后方3 0 米，在这 个区间内，煤体的侧向支承应力迅速增加；在工作面推过3 0 米后，煤层 中的垂直应力和水平应力增长缓慢，到工作面推过1 2 0 米后，应力逐渐趋 于一个稳定的应力值。如果仅考虑煤体的应力，则工作面侧向煤体中应力 峰值点的位置随着工作面推进距离的增加，逐渐远离工作面侧向的煤壁。 因此，本文从工作面侧向煤体的最不利条件考虑，即工作面推过1 2 0 米后，工作面侧向煤柱的应力最大且已经趋于稳定，破坏也最大并趋于稳 定。然后分析工作面后方1 2 0 米的工作面侧向支承应力的分布特征。 工作面后方1 2 0 米侧向支承应力的各特征值与很多因素有关，如果能 够建立这些特征值与这些因素的函数关系，就能定量的分析这些特征值。 本文将只考虑开采深度、煤体强度以及煤层厚度这三个因素对这些特征值 的影响，以各特征值为目标函数，建立如下形式的函数关系： y = f ( h ，r ( ，t ) ( 2 一1 ) 式中，y 一侧向煤体的各特征值 h 一煤层的开采深度 r c 一煤体的强度 t 一煤层的厚度 2 4 2 数值模拟结果及分析 ( 1 ) 各因素对工作面侧向垂直应力峰值大小的影响 经过对1 6 个方案的计算，得到每个方案的工作面侧向煤体的垂直应 力峰值结果如表2 5 。经计算后得正交试验结果分析表见表2 6 。 由正交试验结果分析表可得出各因素对垂直应力峰值的影响曲线见 图2 2 ，拟合公式如下： a ) 开采深度对工作面侧向垂直应力峰值的影响： q 。、( h ) = 1 4 8 0 9 l n ( h ) 一5 9 0 5 2 ( 2 - - 6 ) 式( 2 - 6 ) 的相关系数r = 0 9 9 4 6 8 6 。 b ) 煤体强度对工作面侧向垂直应力峰值大小的影响： 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 。( r c ) = 4 8 7 6 r c 2 9 , 0 8 2 2 r c + 2 2 9 1 7 ( 2 - - 7 ) 式( 2 - 7 ) 的相关系数r = o 9 9 6 9 4 5 。 表2 - - 5 各方案垂直应力峰值口 试验 盯x 试验 盯x 试验 仃v m a x 试验 口x 方案 m p a方案m p a方案m p a方案m p a 17 9 3 251 3 1 8 92 3 3 41 33 1 0 4 29 6 3 861 5 2 8l o2 1 9 61 43 2 2 4 31 0 871 9 7 8 1 13 20 61 5 3 6 3 3 41 2 2 782 3 5 8 1 23 9 2 51 64 7 表2 6垂直应力峰值的正交试验结果分析表 开采深度煤体强度 煤层厚度 水平 采深i n口m p a强度，m p a 口，m p a 厚度m 盯，。m p a i 1 0 01 0 1 6l1 8 8 7 362 5 5 6 8 i i2 0 01 7 9 5 5 1 51 9 7 7 9 582 4 5 9 9 5 i i i4 0 02 9 1 5 2 5 22 4 7 4 2 51 02 2 4 9 6 0 03 6 6 5 2 5 253 0 5 2 51 22 12 6 2 5 c ) 煤层厚度对工作面侧向垂直应力峰值大小的影响： 盯。( t ) = - 0 7 5 1 3 t + 3 0 2 4 2 ( 2 - - 8 ) 式( 2 - 8 ) 的相关系数r = 0 9 9 0 0 3 5 。 d ) 对这三个因素与工作面侧向垂直应力峰值大小进行多元线性逐步 回归，结果如下： 叮。、= 0 0 5 2 4 4 4 0 6 8 h + 7 9 8 3 8 r ( 一0 7 5 1 3 t 一0 7 7 4 2 7 2 0 3 ( 2 - - 9 ) 式( 2 - 9 ) 的复相关系数r = o 9 5 3 4 1 1 。 由拟合公式和拟合曲线分析可知：垂直应力峰值与开采深度服从对数 关系增长，而不是线性关系。即在煤体强度和煤层厚度不变的条件下，随 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 量1 。0 引6 喜| z 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 开采深度m ( a ) 开采深度对侧向垂直应力峰值大小的影响 3 5 罡3 0 螽2 5 譬2 0 銎1 5 捌1 0 崮5 0 p 00 511 52253 煤体强度m p a ( b ) 煤体强度对侧向垂直应力峰值大小的影响 3 0 篓 誉 最 型 捌 售 o24681 0 1 2 煤层厚度m 1 4 ( c ) 煤层厚度对侧向垂直应力峰值大小的影响 图2 2各因素对工作面侧向垂直应力峰值大小的影响规律 f i g u r e 2 - 2 t h ei n f l u e n c er u l eo f v e r t i c a lp e a k s t r e s so ns i d e d i r e c t i o nw i t h e a c hf a c t o r 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 着开采深度的增加，垂直应力峰值增长速度变慢：垂直应力峰值与煤体强 度的关系近似服从二阶多项式关系。随着煤体强度的增加垂直应力峰值增 长速度变快：垂直应力峰值与煤层厚度服从线性关系。随着煤层厚度的增 加，垂直应力峰值减小。 ( 2 ) 各因素对工作面侧向垂直应力峰值位置的影响 经过对1 6 个方案的计算，得到每个方案的工作面侧向煤体的垂直应 力峰值点位置结果如表2 7 。经计算后得正交试验结果分析表见表2 8 。 表2 7 各方案垂直应力峰值点位置p 。( 距工作面侧向的距离) 试验p 。试验p v试验p 。试验h 方案m方案h n方案m 方案 m 13 55 9 ，591 5 7 51 32 0 ，2 5 1 563 51 01 1 51 4 1 0 5 31 571 51 12 51 545 40 581 51 21 5 1 62 5 表2 8垂直应力峰值点位置的正交试验结果分析表 开采深度煤体强度煤层厚度 水平 采深mp 。i r a强度m p ap m厚度m p 。m i1 0 01 7 5l1 2 2 563 i i2 0 041 56 7 58 4 2 5 i i i4 0 07 8 1 2 522 51 07 3 1 2 5 6 0 09 4 3 7 52 51 51 2 8 4 3 5 由正交试验结果分析表可绘得各因素对垂直应力峰值位置的影响曲 线见图2 3 。拟合公式如下： a ) 开采深度对工作面侧向垂直应力峰值位置的影响： 太原理工大学硕士研究生学位论文 例 捌 姐； 趔 譬 。 崔 ：删 崩 1 0 8 6 4 2 0 美 瘩t 8 0 差。6 智： 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 开采深度m ( a )开采深度对垂直应力峰值位置的影响规律 00 5il 522 53 煤体强度l , t p a ( b ) 煤体强度对垂直应力峰值位置的影响规律 煤层厚度m ( c ) 煤层厚度对垂直应力峰值位置的影响规律 图2 3各因素对侧向垂直应力峰值点位置的影响规律 f i g u r e 2 3 t h ei n f l u e n c er u l eo f v e r t i c a lp e a k s t r e s sl o c a t i o no n s i d e d i r e c t i o nw i t he a c hf a c t o r 7 rj 一，一；一o o 8 6 4 2 0 眦琵掣哇罨誉式翅强誉 太原理工大学硕士研究生学位论文 b ( h ) = 4 4 2 2 7 l n ( h ) 一1 8 8 9 8 ( 2 - - 1 0 ) 式( 2 - 1 0 ) 的相关系数r = 0 9 9 4 3 8 4 。 b ) 煤体强度对工作面侧向垂直应力峰值位置的影响： e ( r 。，) = 5 3 8 8 8 e 。4 ”7 凡( 2 - - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 的相关系数r = o 9 9 2 4 7 2 。 c ) 煤层厚度对工作面侧向垂直应力峰值位置的影响： 一1 29 7 9 6 0 7 2 0 ( 丁) = 2 4 7 3 6 4 7 7 8 4 e 7 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 的相关系数r = 0 9 7 9 2 1 2 。 d ) 对这三个因素与工作面侧向垂直应力峰值位置进行多元线性逐步 回归，结果如下： 只= 0 0 1 5 5 0 8 4 7 5 h 一7 3 r r + o 9 6 8 7 5 t + 4 7 6 5 9 9 5 8 ( 2 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 的复相关系数r = 0 9 1 1 0 5 9 。 由拟合公式和拟合曲线分析可知：垂直应力峰值点位嚣随着丌采深度 的增n 日逐渐向煤体深部发展，但是增长速度逐渐变缓，呈对数分布；垂直 应力峰值位置与煤体强度服从指数关系。煤体强度越大，峰值点越靠近工 作面侧向煤壁。煤体强度越小，峰值点越向煤体深部发展。 ( 3 ) 各因素对工作面侧向垂直应力峰值点前应力曲线斜率k ，。的影 响： 经过对1 6 个方案的计算，得到每个方案的工作面侧向煤体的垂直应 力峰值点前应力曲线斜率结果如表2 9 。经计算后得正交试验结果分析 表见表2 一1 0 。 由正交试验结果分析表可绘得各因素对峰值点前应力曲线斜率k v b 的影响曲线见图2 4 。拟合公式如下： a ) 开采深度对峰值点前应力曲线斜率k 。b 的影响： 足曲( h ) = - 7 l o 。h 2 + 0 0 5 6 3 h 一3 2 1 6 7 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 的相关系数r = 0 9 9 9 3 5 0 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 b ) 煤体强度对峰值点前应力曲线斜率k 。b 的影响： k ( r ( 、) = 5 8 7 1 7 r ( ，一5 0 0 1 7 ( 2 1 5 ) 式( 2 - 1 5 ) 的相关