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�；�本頂平均厚度大于25m，部分區(qū)域可達(dá)到40m。可見(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

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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，