第39卷增刊2

2014年12月煤炭學報JOUＲNALOFCHINACOALSOCIETYVol．39Dec．Supp．22014

．煤炭學報，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構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構能量分布特征與防沖方法

張基偉，王金安

（北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083）

要：針對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

力學模型。分析了該結構的能量分布特征，確定了懸頂上彎曲變形能集中程度較高斜懸頂結構”摘

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

“人”轉移與積聚而形成字型能量分叉形態(tài)，構成了頂板防沖卸壓后的主要災源。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。通過頂板動態(tài)監(jiān)測與地音監(jiān)測檢驗，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壓步距的同時，降低由頂板防沖卸壓造成次生災害的可能。

；“人”關鍵詞：大傾角特厚煤層；傾斜懸頂結構字型能量分叉；彈性能定向釋放

中圖分類號：TD324文獻標志碼：A文章編號：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

隨著煤礦開采規(guī)模與深度的逐年增加，沖擊地壓

我國學者針對沖擊的強度及危害日益突出。近年來，

地壓防治機理進行了大量的理論分析與實驗研究，相

繼提出了開采解放層理論、圍巖強度弱化減沖理論［3］［4］、能量遞減防治理論、應力三向化理論、減［5－6］［7］、改變煤巖體性質說等沖擊地壓緩應力梯度說［1－2］防治機理，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責任編輯：常琛

基金項目：國家自然科學基金重點資助項目（U1361208）

作者簡介：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構能量分布特征與防沖方法

317

防沖方法。圍巖強度弱化減沖理論利用煤巖體采掘過程中彈性應變能的增量與極限彈性應變能之間的關系，詮釋了沖擊地壓防治機理。能量遞減防治理論將開采后發(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個階段，分別為采動高應力轉移階段、采動高應力釋放階段、剩余能量消耗階段。認為沖擊地壓防治關鍵取決于將煤體內(nèi)儲存彈性能釋放。于正興等結合煤層卸壓、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)轉移，保證圍巖達到了應力三向化狀態(tài)�？梢姡�我國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較少。

大傾角煤層由于煤、巖層沉積結構具有特殊性，造成了工作面頂板變形、破壞、能量分布、應力傳遞等

－［89］

。相對于水平或緩傾斜煤層均具有非對稱特征

而言，大傾角煤層走向長壁式綜放回采具有特殊的沖

擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律。簡單的照搬水平或緩傾斜煤層的防治措施，會造成人力、物力的浪費，易造成次生災害。因此，針對大傾角特厚煤層沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律，對其防治機理進行研究，具有理論與實用價值。甘肅靖遠王家山煤礦大傾角特厚煤層走向長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從發(fā)生時間來看，板巖層的活動期間，如周期來壓、頂板二次垮落等；②從發(fā)生地點來看，工作面回采期間頂板巷較底板巷沖擊地壓發(fā)生頻繁且強烈；③從發(fā)生區(qū)域來看，沖擊地壓多發(fā)生在開幫線等臨空區(qū)域附近；④從發(fā)生現(xiàn)象來看，頂板巷主要現(xiàn)象為近頂幫及側煤幫擠壓變形，且變形量較大，底板巷主要表現(xiàn)為巷道鼓幫、底臌

。

［4］

針對以上總結的王家山煤礦沖擊地壓發(fā)生特點，

本文建立了大傾角煤層工作面回采后形成“傾斜懸頂結構”力學模型，深入的研究傾斜懸頂結構中彎曲

頂板破斷等特征，探討了大傾角特厚頂變形能分布、

2D

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

上分析結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踐依據(jù)。

1工程概況

靖遠王家山煤礦現(xiàn)主采煤層為二煤，其平均厚度15.3m。地質構造簡單，沉積層位穩(wěn)定，目前工作面傾角為31°～42°。地質柱狀圖如圖2所示，煤層頂板主要由細礫巖、粉砂巖、細砂巖、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)域可達到40m�？梢姡瑑A角大、硬頂、厚煤層是該礦區(qū)煤層埋藏3個基本特征。根據(jù)沖擊傾向性實驗，測得自然狀態(tài)下2煤具有強沖擊傾向性。所以認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

地質柱狀圖

Geologicloggingchart

2

2.1

大傾角特厚煤層懸頂力學模型構建與彎曲

變形能分布規(guī)律

傾斜懸頂結構模型構建

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

煤炭學報

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“傾斜懸頂結構”

重力與水平構造力，建立圖3所示的“傾斜懸頂結

構”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）為原點處上覆巖層作用在懸頂?shù)酿ぞ哿Γ?/p>

載荷；［σy，為煤體側支承壓力峰值，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)懸空覆巖對頂

彎矩為零。所以不考慮軸向荷板的荷載通過圓心，

載，得到傾斜懸頂結構力學模型（圖4）

。

圖3“傾斜懸頂結構”物理模型Fig.3

Physicalmodelofinclinedhangingroof

為了便于對“傾斜懸頂結構”力學特性進行分

假設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與煤柱的密實程度有關，Δ為基本頂上部位移量。傾角為θ、傾斜長為L的工作面下部頂板向煤體延伸，所以可以將其視為固支端。為了計算煤體塑性區(qū)長度xp的頂板支撐力σy，可利用煤體邊緣塑性區(qū)內(nèi)應力、塑性區(qū)寬度的表，達式其中px為煤壁側向約束力。塑性區(qū)內(nèi)煤壁對基本頂沿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“傾斜懸頂結構”力學模型

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，越往上越松散，