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            大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法_張基偉

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            大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法_張基偉

            第39卷增刊2

            2014年12月煤炭學(xué)報(bào)JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.39Dec.Supp.22014

            .煤炭學(xué)報(bào),2014,39(S2):316-324.doi:10.13225/j.張基偉,王金安.大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法[J]

            cnki.jccs.2014.0530

            ZhangJiwei,WangJin’an.Energydistributioncharacteristicsandrockburstcontrolmethodsofsteeperinclinedthickcoalseamhanging

            J].JournalofChinaCoalSociety,2014,39(S2):316-324.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0530roof[

            大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法

            張基偉,王金安

            (北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)

            要:針對(duì)大傾角特厚煤層由懸頂大量彈性能聚集后突然釋放引發(fā)的沖擊地壓現(xiàn)象,建立了“傾

            力學(xué)模型。分析了該結(jié)構(gòu)的能量分布特征,確定了懸頂上彎曲變形能集中程度較高斜懸頂結(jié)構(gòu)”摘

            的兩個(gè)重點(diǎn)卸壓區(qū)域。利用數(shù)值模擬分析,發(fā)現(xiàn)了超前頂板重點(diǎn)卸壓區(qū)域的彈性能釋放后由能量

            “人”轉(zhuǎn)移與積聚而形成字型能量分叉形態(tài),構(gòu)成了頂板防沖卸壓后的主要災(zāi)源。據(jù)此提出了大傾

            將方法分為懸頂能量釋放與次生能量消耗2個(gè)階段,并分析角特厚煤層彈性能定向釋放防沖方法,

            了各階段的作用與防沖手段。通過(guò)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與地音監(jiān)測(cè)檢驗(yàn),證明此方法能夠在有效的縮短

            懸頂面積,減小工作面頂板壓力與來(lái)壓步距的同時(shí),降低由頂板防沖卸壓造成次生災(zāi)害的可能。

            ;“人”關(guān)鍵詞:大傾角特厚煤層;傾斜懸頂結(jié)構(gòu)字型能量分叉;彈性能定向釋放

            中圖分類號(hào):TD324文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):0253-9993(2014)S2-0316-09

            Energydistributioncharacteristicsandrockburstcontrolmethodsofsteeper

            inclinedthickcoalseamhangingroof

            ZHANGJi-wei,WANGJin-an

            (SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

            Abstract:Basedonthephenomenonoftherockburstduetoagreatdealofelasticenergygatheringandsuddenlyre-leasingonthesteeperinclinedthickcoalseamhangingroof.Theinclinedroofhangingstructuremechanicalmodelwasestablished.Thecharacterofthisstructureenergydistributionwasanalyzed,aswellastwokeyreleaseareasonthehangingroofwasconfirmed.Theherringboneenergybifurcationafterelasticenergyreleaseontheaheadofminingfaceroofwasfoundthroughthenumericalsimulations,whichwasthemostprincipaldisastersourceafterpressurereliefontheroof.Thedirectionalelasticenergyreleasingmethodforcontrolrockburstwasputforwardaccordingly.Themonito-ringdatashowthatthismethodissignificanceinreductionoftheroofpressure,theweightinginterval,aswellastheprobabilityofsecondarydisaster.

            Keywords:steeperinclinedcoalseam;inclinedroofhangingstructure;herringboneenergybifurcation;directionalelasticenergyreleasingmethod

            隨著煤礦開(kāi)采規(guī)模與深度的逐年增加,沖擊地壓

            我國(guó)學(xué)者針對(duì)沖擊的強(qiáng)度及危害日益突出。近年來(lái),

            地壓防治機(jī)理進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,相

            繼提出了開(kāi)采解放層理論、圍巖強(qiáng)度弱化減沖理論[3][4]、能量遞減防治理論、應(yīng)力三向化理論、減[5-6][7]、改變煤巖體性質(zhì)說(shuō)等沖擊地壓緩應(yīng)力梯度說(shuō)[1-2]防治機(jī)理,形成了包括工作面布置優(yōu)化,煤層卸載爆破,頂板深孔爆破,煤層高壓注水,大直徑鉆孔卸壓等

            收稿日期:2014-04-21責(zé)任編輯:常琛

            基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1361208)

            作者簡(jiǎn)介:張基偉(1988—),男,內(nèi)蒙古包頭人,博士研究生。E-mail:qiyijianjunyi@sina.com。通訊作者:王金安(1958—),男,河北昌黎人,

            --Email:wja@ustb.edu.com教授。Tel:01062334098,


            增刊2張基偉等:大傾角特厚煤層懸頂結(jié)構(gòu)能量分布特征與防沖方法

            317

            防沖方法。圍巖強(qiáng)度弱化減沖理論利用煤巖體采掘過(guò)程中彈性應(yīng)變能的增量與極限彈性應(yīng)變能之間的關(guān)系,詮釋了沖擊地壓防治機(jī)理。能量遞減防治理論將開(kāi)采后發(fā)生沖擊地壓的能量分為原生能量和次生能量,并根據(jù)各能量的賦存狀態(tài)將沖擊地壓防治分為3個(gè)階段,分別為采動(dòng)高應(yīng)力轉(zhuǎn)移階段、采動(dòng)高應(yīng)力釋放階段、剩余能量消耗階段。認(rèn)為沖擊地壓防治關(guān)鍵取決于將煤體內(nèi)儲(chǔ)存彈性能釋放。于正興等結(jié)合煤層卸壓、深孔爆破卸壓、頂?shù)装逍秹旱葲_擊地壓防治措施使巷道淺部圍巖從單向受力向深部的三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)移,保證圍巖達(dá)到了應(yīng)力三向化狀態(tài)。可見(jiàn),我國(guó)在沖擊地壓防治方面取得了豐碩的成果。上述成果多以水平及近水平煤層為工程背景,而大傾角特厚煤層沖擊地壓防治理論與方法研究相對(duì)較少。

            大傾角煤層由于煤、巖層沉積結(jié)構(gòu)具有特殊性,造成了工作面頂板變形、破壞、能量分布、應(yīng)力傳遞等

            -[89]

            。相對(duì)于水平或緩傾斜煤層均具有非對(duì)稱特征

            而言,大傾角煤層走向長(zhǎng)壁式綜放回采具有特殊的沖

            擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律。簡(jiǎn)單的照搬水平或緩傾斜煤層的防治措施,會(huì)造成人力、物力的浪費(fèi),易造成次生災(zāi)害。因此,針對(duì)大傾角特厚煤層沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律,對(duì)其防治機(jī)理進(jìn)行研究,具有理論與實(shí)用價(jià)值。甘肅靖遠(yuǎn)王家山煤礦大傾角特厚煤層走向長(zhǎng)壁式綜放回采工作面布置方式較為特殊(圖1)。工作面巷道分為頂板巷與底板巷,工作面傾斜長(zhǎng)度為90m左右。2011—2013年,該礦沖擊地壓特征歸納沖擊地壓事件主要集中在頂為:①?gòu)陌l(fā)生時(shí)間來(lái)看,板巖層的活動(dòng)期間,如周期來(lái)壓、頂板二次垮落等;②從發(fā)生地點(diǎn)來(lái)看,工作面回采期間頂板巷較底板巷沖擊地壓發(fā)生頻繁且強(qiáng)烈;③從發(fā)生區(qū)域來(lái)看,沖擊地壓多發(fā)生在開(kāi)幫線等臨空區(qū)域附近;④從發(fā)生現(xiàn)象來(lái)看,頂板巷主要現(xiàn)象為近頂幫及側(cè)煤幫擠壓變形,且變形量較大,底板巷主要表現(xiàn)為巷道鼓幫、底臌

            。

            [4]

            針對(duì)以上總結(jié)的王家山煤礦沖擊地壓發(fā)生特點(diǎn),

            本文建立了大傾角煤層工作面回采后形成“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型,深入的研究?jī)A斜懸頂結(jié)構(gòu)中彎曲

            頂板破斷等特征,探討了大傾角特厚頂變形能分布、

            2D

            板彈性能釋放機(jī)理。利用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)頂板彈性能釋放前后的能量分布進(jìn)行分析。綜合以

            上分析結(jié)果提出了大傾角特厚煤層彈性能定向釋放防沖卸壓方法。為大傾角特厚煤層沖擊地壓防治提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

            1工程概況

            靖遠(yuǎn)王家山煤礦現(xiàn)主采煤層為二煤,其平均厚度15.3m。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,沉積層位穩(wěn)定,目前工作面傾角為31°~42°。地質(zhì)柱狀圖如圖2所示,煤層頂板主要由細(xì)礫巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等巖石組成,巖石普氏硬度系數(shù)為3.6~5.0;卷斊骄穸却笥25m,部分區(qū)域可達(dá)到40m?梢(jiàn),傾角大、硬頂、厚煤層是該礦區(qū)煤層埋藏3個(gè)基本特征。根據(jù)沖擊傾向性實(shí)驗(yàn),測(cè)得自然狀態(tài)下2煤具有強(qiáng)沖擊傾向性。所以認(rèn)為大傾角特厚煤層沖擊地壓發(fā)生的直接原因是工作面后方懸頂斷裂導(dǎo)致大量的彈性能突然釋放,造成工作面前方區(qū)域內(nèi)煤體失穩(wěn),最終發(fā)生沖擊地壓

            。

            圖2Fig.2

            地質(zhì)柱狀圖

            Geologicloggingchart

            2

            2.1

            大傾角特厚煤層懸頂力學(xué)模型構(gòu)建與彎曲

            變形能分布規(guī)律

            傾斜懸頂結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

            圖1

            Fig.1

            大傾角煤層工作面布置

            Workingfacelayoutofsteeplyinclinedseam

            [10]

            根據(jù)大傾角煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律研究可知,大傾角煤層回采后,頂板冒落矸石沿傾斜方向向下滑移


            318

            煤炭學(xué)報(bào)

            Fd(x)=-(L+Ls

            2014年第39卷

            或滾落,在工作面下部形成小范圍充填區(qū)域。工作面上部的未冒落煤柱仍然具備一定的支撐力,造成大傾角煤層懸露頂板受力具有非對(duì)稱特征,本文將此頂板

            ,考慮到上覆巖層的變形特征稱為“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”

            重力與水平構(gòu)造力,建立圖3所示的“傾斜懸頂結(jié)

            構(gòu)”物理模型

            。

            {ρg(λsinθ+cosθ)[H+

            -x)sinθ]}(0≤x≤(L+L))

            s

            (3)

            m為區(qū)段煤柱的垂高,m;c為煤層與頂板間的式中,

            MPa;Fd(0)為原點(diǎn)處上覆巖層作用在懸頂?shù)酿ぞ哿Γ?/p>

            載荷;[σy,為煤體側(cè)支承壓力峰值,根據(jù)數(shù)值模擬max]

            MPa;φ為煤層與頂板間可得出峰值約為1.2Fd(0),

            (°);Ls為塑性區(qū)寬度,m;L1為矸石充填的摩擦角,

            m;L為工作面傾斜長(zhǎng)度,m;ρ為上覆巖層的區(qū)寬度,

            kg/m3;g為重力加速度,N/kg;θ為工作面平均密度,

            (°);H0為工作面上邊界埋深,m;λ為側(cè)壓力傾角,系數(shù)。

            在小變形條件下,由于上方采空區(qū)懸空覆巖對(duì)頂

            彎矩為零。所以不考慮軸向荷板的荷載通過(guò)圓心,

            載,得到傾斜懸頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(圖4)

            。

            圖3“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”物理模型Fig.3

            Physicalmodelofinclinedhangingroof

            為了便于對(duì)“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”力學(xué)特性進(jìn)行分

            假設(shè)工作面上部的煤柱為彈簧支撐。則根據(jù)胡克析,

            定律Ft=KΔ可知,彈簧常數(shù)K與煤柱的密實(shí)程度有關(guān),Δ為基本頂上部位移量。傾角為θ、傾斜長(zhǎng)為L(zhǎng)的工作面下部頂板向煤體延伸,所以可以將其視為固支端。為了計(jì)算煤體塑性區(qū)長(zhǎng)度xp的頂板支撐力σy,可利用煤體邊緣塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力、塑性區(qū)寬度的表,達(dá)式其中px為煤壁側(cè)向約束力。塑性區(qū)內(nèi)煤壁對(duì)基本頂沿y軸正方向的支撐力σy(x),得

            2tanφpcc

            +xeλ-0≤x<Ls)σy(x)=

            tanφtanφλ

            (1)

            2tanφLs

            pxc-

            λ-c。+[δy,其中=max]etanφλ

            [11-12]

            ()

            圖4“傾斜懸頂結(jié)構(gòu)”力學(xué)模型

            Fig.4

            Mechanicalmodelofinclinedhangingroof

            ()

            2.2頂板彎曲變形能分布函數(shù)的確定根據(jù)小變形條件下遵循力的疊加原理

            [13]

            頂板下端頭填充矸石較為密實(shí),越往上越松散,

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