沿煤层倾斜方向底板“三区”破坏特征分析

作者:孙建 刊名:采矿与安全工程学报 上传者:殷斌宇

【摘要】为了研究具有一定倾角煤层底板的采动破坏特征,基于矿山压力理论,建立了考虑煤层倾角的工作面侧向底板受力力学模型,采用摩尔-库仑破坏准则,推导了工作面侧向煤柱下方底板的最大破坏深度表达式。将底板采动破坏带沿煤层倾斜方向划分为3个不同区域,其呈现为一个比工作面宽度还要宽的、下大上小的"勺形"分布形态。利用数值模拟方法研究了倾角对煤层底板破坏深度、破坏形态以及最大破坏深度位置的影响规律。结果表明:1)底板塑性破坏区深度随工作面宽度的增大呈现增大的趋势;随煤层倾角的增大,先增大后减小,在煤层30°倾角时,塑性破坏区深度最大,底板岩体更容易发生剪切滑移破坏;2)工作面底板最大塑性破坏深度位置随煤层倾角的增大逐渐偏离工作面中部向下,且工作面越宽,偏离越远。

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工作面回采时,煤层底板先后经历采前应力升高、采后应力降低及应力恢复3个不同阶段,导致工作面底板岩体变形破坏,形成一定深度的底板破坏带[1-2]。长期以来,国内外学者对煤层底板的采动应力场及变形破坏特征进行了广泛的研究,取得了丰富的研究成果,对煤矿的安全高效生产起到了重要的指导作用[3-6]。我国煤炭资源丰富,但赋存条件复杂,在中国各类煤层的可采储量占总可采储量的比例中,近水平及缓倾斜煤层为85.96%,倾斜煤层为10.16%,急倾斜煤层为3.88%[7]。虽然倾斜、急倾斜煤层总的储量和历年产量所占比例不大,但矿井数量众多,且煤质优良,具有很高的开采价值。另外,随着经济的发展和社会的进步,人类对能源和矿产资源的需求越来越多,矿井开采深度和强度不断增大,部分矿区己经出现资源储备不足的现象,许多矿井不得不由条件相对优越的煤层开采转向条件复杂的倾斜、急倾煤层开采。由于煤层的倾斜,工作面采场围岩破坏特征明显不同于水平及近水平煤层[8-10](图1),而在以往采场围岩受力变形破坏特征的研究中,往往忽略采场围岩岩层倾角对其破坏特征的影响[11-12]。因此,有必要开展煤层倾角对底板变形破坏影响方面的系统研究,探索煤层倾角对底板采动破坏深度及其破坏形态的影响规律,更好地为倾斜、急倾斜煤层开采底板巷道合理位置留设、底板承压水害防治等提供重要理论依据。微震事件空间分布y/m30020010001208040-40-475-500-525-550z/mx/m-450微震事件xz平面投影0图1底板破坏的微震事件沿煤层倾斜方向的形态示意图Fig.1 Schematic diagram of floor failure microseism inci-dents along the tilted direction of coal seam文献[10]中,对煤层倾角为28°的工作面底板采动破坏特征进行了微震监测研究,现场监测结果表明,工作面底板采动破坏带为一个下大上小的“勺形”分布形态,且底板最大破坏深度位置偏离工作面中部向下,如图1。由于没有对不同倾角煤层底板的破坏特征进行系统研究,因此,本文采用理论分析结合数值模拟,对底板破坏特征的煤层倾角效应进行系统研究,揭示煤层倾角对底板破坏深度、破坏形态的影响规律,更好地为预防矿山工程灾害和保障矿井安全开采提供理论和实践指导。1考虑煤层倾角的底板破坏特征力学分析图2为有一定倾角的煤层工作面走向长壁开采(工作面沿煤层倾斜方向布置),沿煤层倾斜方向工作面侧向支承压力分布图。由于煤层的倾斜,工作面上下两侧巷道埋深不同,导致工作面上下两侧的侧向支承压力峰值、峰值分布范围及其距离巷道煤壁的距离不再(对称)相同,这些都是具有一定倾角的回采工作面侧向支承压力的分布特点,不同于倾角为零的回采工作面侧向支承压力的分布特点[8]。下侧侧向支承压力煤层顶板煤层底板工作面上侧侧向支承压力|图2工作面侧向支承压力分布示意图Fig.2 Schematic diagram of workface lateralabutment pressure distribution1.1沿煤层倾斜方向底板破坏深度分析1.1.1工作面底板破坏深度分析在工作面超前支承压力的作用下,工作面底板岩体产生塑性破坏,形成底板采动破坏区。张金才教授[13]依据底板岩体滑移线场理论,建立了如图3所示的沿工作面走向底板塑性破坏区剖面形态示意图。图3底板塑性破坏区剖面图Fig.3 Profile diagram of floor plastic failure zone图中kγH为工作面超前

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