大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏_陶连金
煤矿采煤工作面采空区的上覆岩层移动和破坏过程的观测探讨
关键词 ： 采煤工作面 ； 采 空区； 上覆岩层移动 ； 破坏 ； 观测 ；
・
１ ７ ２ ・
科技ห้องสมุดไป่ตู้论坛
煤矿采煤 工作 面采空 区的上覆岩层移 动和 破坏过程 的观测探讨
刘祝福 （ 七 台河市不动产登记 中心 ， 黑龙江 七 台河 １ ５ ４ ６ ０ ０ ）
摘 要： 为了解采空区上覆岩层移动的基本规律 ， 掌握其运动的时间、 强度及对工作面矿压显现的影响程度 ， 则需直接对上覆各部分
采空区上方一定范围内的岩层移动和垮落对采煤工作面矿压 观测钻孔 的布 置与钻孔 电视观测法相 同。必要 时 ， 也可沿工作 显现影响显著 。 这个范围内的岩层也称为对工作 面矿压显现有明显 面布置方向设 置 ３ 个钻孔 ， 分别 在工作面长度 的 Ｉ ／ ３ 、 １ ／ ２ 、 ２ ／ ３ 处； 沿 影响的岩层。为了解采空区上覆岩层移动的基本规律， 掌握其运动 走 向布置 ２—３ 个钻孔 。钻孔时 ，要仔细地判别岩层岩性和鉴定分 的时间 、 强 度及 对工作面矿压显现 的影响程度 ， 则 需直接对 上覆 各 层。 安装观测基点前要提供详细 的地质柱状 图。 钻孔时不要使用钢 部分岩层 的移动过程和破坏过程进行观测。 我国采用 的观测方法较 粒钻进法， 以 保证钻孔孔壁完整、 规则。钻孔要穿过将开采的煤层， 多， 其 中有钻孔 电视法 、 深 部基点法 、 掘观测巷法 、 地面钻孔 冲洗液 孔底位于底板 内 ０ ． ５ ｍ一 １ ． ０ ｍ处 ， 对于冲积层和风化带耍用套管保 三带 ” 的发展过程 ， 观测段应包 括煤层上 法及 电测法等 。本文介绍两种较 实用 且观测效果较好 的方法 ， 即钻 护孔壁。为观测上覆岩层“ 孔电视法 和深部基点法。 方５ ０ Ｉ １ １ ～１ ０ ０ ｍ的岩层 （ 采 高大 时还可更商些 ） 。一个孔 内最多可按 １钻孔电视观 测法 装１ ０个测点 ，目前最大安装 深度是 ５ ０ ０ ｍ ｏ测点位置和 间距 的确 钻孔 电视观测法是 ： 在计划开采 的工作面上方 ， 从地 面预先打 定 ， 除考虑岩性外 ， 还应遵循如下原则 ： 在一个较 薄的 自然 分层 内只 好几个至煤层 的钻孔 ， 在 工作面开采过程 中， 将专用摄像 机放入钻 设一个测 点 ； 在岩 陛变化大的两个相邻分层 内分别设点 ； 不在 分层 孔内 ， 通过地面监视器 的荧光屏直接观测钻孔处上覆岩层 的裂 隙发 界面处设点 ； 测点要设在岩石较坚硬 ， 不易风化脱落 ， 孔壁未破坏的 展和冒落情况 。 部位 ； 最下边 的测点在开采煤层上方 ５ ｍ～ ７ ｍ处。 某深部基点观测 １ ． １ 观测钻孔的布置 系统 图 ， 深部基点是用长 ２ ０ ０ ｍｍ一 ５ ０ ０ ｍｍ、 直径 ≠９ ０ ｍ ｍ的压缩 沿工作面走向从距 开切眼 １ ０ ０ ｍ左 右每隔 １ ０ ０ ｍ自 地表垂直 木制成 。 其两端安有特制 的螺 帽， 有一个 中心孔 ， 以便穿过系结下面 向下打钻孔 ， 直至开采煤层 的底板 。根据观测 的要求 ， 一般可打 ２～ 各测点 的钢丝。压缩木下放 时将 钢丝 固定在上端螺 帽上 ， 由上而下 ４ 个钻孔 。钻孑 Ｌ 直 径 ≠９ ５ ｍ ｍ 一 ＋ １ ３ ５ ｍ ｍ 。钻孔应 保证较高 的铅垂 逐点下放至预定的位置。 经６ ｈ一１ ２ ｈ 压缩和受潮膨胀后 ， 再将各点 度， 并使孔壁光滑。钻完孔后应用清水将钻孔冲洗一遍 ， 排除岩粉。 的钢丝 分别安于孔 口的各 滑轮 上 ， 并 系上悬挂 平衡锤 ， 用雎平 衡细 为防止冲积层和基 岩风化带孔壁塌落 ， 要用套管分段保护孔壁 。 钢丝 的重量并赋予钢丝一定 的拉 力使 之伸 直。如果孑 Ｌ 内无水 ， 可在 １ ． ２观测仪器扣设备 测 点下放后 向孔 内洒水 ， 使压缩木膨胀并 与孔壁撑 紧 ， 以保持 与此 主要的观测仪器是 ｚ ｓ 一 ２型钻孔 电视。 它主要包括摄像机探头 、 处 岩层 同步移动 。如孔 内水 位浅 ， 测点送不到预定深度就 因群胀而 控制器 、 监视器 、 电缆盘 四部分 。与之配套 的设备还有绞车 、 小型汽 被 卡住 ， 需对压缩木进行延迟和控制其膨胀 的专 门处理 ， 如浸油 、 涂 油发电机 、 孔 口滑轮 、 深 度指示器等。 所有观测仪器设备可全部装在 润滑脂 、 石 腊密封等 。
综采工作面上覆岩层运动与破坏规律研究
ｒ ａ ｗ ｙ ｗａｌ ｏ ｋ ｄ ｓ ｒ ｏ ｒ ｓ ｌ ｄ ｔ ｅ ｒｏ ｖ ｍｅ ｔ ｔ ｐ ｏ ｅ ｗ ｒ ｉ ｇｆ ｃ ， ｋ ｉｅ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ｏ ｏ ｔ ｌ ｎ ｏ ｆ ｆ ｏ ｄ ａ ｌ ｃ ｉｔｔ ｎ，ｅ ｕ ｔ ｈ ｏ ｆｍｏ ｅ ｎ ｅ ｆ ｈ ｏ ｋ ｎ ｅ ｍａ ｅａ ｎ ｃ ｅ ｈ ｉ ｕ ｏ ｄ ｔ ｎ ｆｒｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ｒ ｏ ｒ ｏｉ ｅ ｓ ｔ ａ ｉ ｏｉ ｏ
维普资讯
总 第 １４期 ０
综 采工 作 面上覆 岩层 运 动 与破 坏 规律 研 究
孔德森 孟庆辉 张伟伟 王立才 肖庆华 诸 葛祥华 ， ， ， ， ，
（． １ 山东科技 大学 土建 学院，山东 青 岛 ２ ６ １ ；． ６ ５０ ２ 山东东 山矿业集 团 王楼煤矿 ，山东 济宁 ２２ ０ ） ７ ５０
工作 面顶 板 岩梁 在 推 进 方 向上 的 运 动 规 律 包
８１ ． ２万 ｍ 。１３ １综采 工 作 面 主 采 ３ 煤 层 ， 种 括 ： 接顶 的初 次垮落 步距 、 １０ 煤 直 老顶 的初 次来压 步距 和
为气煤 ， 平均 煤 厚 ２ ０ｍ， 层 结 构 简 单 ， 较 稳 定 周期来 压 步距 。 ． 煤 属 稳定煤 层 ， 有 １— 偶 ２层 夹矸 ， 煤层 赋存 较 平缓 ， 煤 １ １ 直 接顶 初次 垮落步 距 ．
Ｋ Ｎ ｅｓｎ ， Ｎ ｉｇｈ ｉ， Ｈ Ｎ ｉ ｅ ， Ｏ Ｇ Ｄ － ＭＥ Ｇ Ｑ ｎ －ｕ Ｚ Ａ Ｇ Ｗｅ－ ｉ ｅ ｗ ＷＡ Ｇ ｌ ｃ ｉ，Ｘ Ａ ｉｇｈ ａ ， Ｈ Ｇ ｉ ｇｈ ａ Ｎ －ａ ｉ ＩＯ Ｑｎ － Ｚ Ｕ ＥＸａ － ｕ ｎ ｕ
１３ １综 采 工作 面 是 王 楼 煤 矿 的 首采 工 作 面 ， １０ 开采水 平 为 一６ ０ｍ， 面标 高 为 ＋ ３ ４ ｍ， 作 面 ８ 地 ３ ．ห้องสมุดไป่ตู้ 工 走 向 长 约 ７０ ０ ｍ，倾 向 长 约 １ ６ ｍ，面 积 为 １
大倾角煤层大采高综采围岩运移与支架相互作用规律_解盘石_伍永平_王红伟_任世广
Abstract To research the overlying strata movement around large mining height fully-mechanized face in steeply inclined thick seam, the field measurement, numerical simulation and similar material simulation methods were used to analyze the strata movement, roof structure and rock-support interaction characteristics in this paper. The results indicate that strata movement of large mining height face is similar to general mining height face in steeply inclined seam, which has asymmetry characteristic along the inclined direction of coal face, but the deformation, failure and movement of surrounding rock is more active, roof weighting step decreases obviously and weighting strength increases, while accompanying with rib fall of coal wall. In addition, the space size of slipping, rolling and filling of caving roof increases, and the anti-dip pile structure is easily formed after the fracturing of main roof, while the filling and compacting degree of failure roof increases at the lower part of coal face, which inducing
煤层开采对上覆岩层破坏规律研究
煤层开采对上覆岩层破坏规律研究作者：成军来源：《中国新技术新产品》2018年第09期摘要：本文通过相关规程、规范中煤柱计算和利用三维有限差分计算软件—FLAC3D对导水裂缝带高度进行数值模拟以及实际施工的导高钻孔测量成果，综合讨论不同计算方法中松散含水层下煤层开采对上覆岩层破坏规律，对巨厚松散含水层覆盖下煤炭资源回收和煤矿的安全生产都具有重大的现实意义。
关键词：煤矿；防治水；导水裂缝带；多煤层开采中图分类号：TD327 文献标志码：A唐山矿岳胥隐伏露头区5煤頂板以上为坚硬砂岩，中间存在若干煤线，5煤层厚度约2.9m，倾角32°～35°；5煤与9煤间距约30m，岩性以砂岩为主，中间存在若干煤线或炭质泥岩夹层，9煤层厚度8.5m～9.3 m，平均厚度8.9m，倾角32°～35°。
根据工程衔接安排首先开采5煤层，然后对9煤层进行分层开采，先开采上部3m部分，形成9煤层顶板岩层移动，并对上部5煤层形成的三带有一次重复采动影响；再开采下部6m厚煤时，再一次对9煤层顶板以及5煤层顶板岩层移动带造成重复采动破坏。
1 规范公式法目前根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中垮落带和导水裂缝带计算公式：（1）开采5煤时垮落带和导水裂缝带发育情况，当5煤层开采厚度为3m时，中硬（单向抗压强度20MPa～40MPa）覆岩“两带”高度和防水安全煤（岩）柱计算如下：煤柱留设高度：Hsh=44.6+9=53.6（m）（2）开采9煤时垮落带和导水裂缝带发育情况，当9煤层累计开采厚度为9m时，中硬（单向抗压强度20MPa～40MPa）覆岩“两带”高度和防水安全煤（岩）柱计算如下：2 数值模拟计算通过FLAC3D建模参照岳胥区地层及岩性结构建立数值模拟计算网格剖分图可知，工作面采用走向长壁布置，煤层及岩层倾角为33°，煤层沿着倾向方向，基岩厚度逐渐变大，模型长500m，宽100m，高300m，整个模型共划分为127050个单元，141592个节点。
采面上覆岩层运动和破坏的基本形式
mE -“假塑性岩梁”的厚度，m； γE -“假塑性岩梁”的容重，kN/m3； LO -“假塑性岩梁”初次裂断步距或跨度，m； lK - 控顶距，m。
3 剪（切）断破坏的运动形式
岩层剪（切）断破坏的发展过程：岩层悬露后产生很小的 弯曲变形，悬露岩层端部开裂（图 3（a））→在岩层中部未开裂 （或开裂很少）的情况下，突发性整体切断跨落（图 3（b））。
1 弯拉破坏的运动形式
弯拉破坏的发展过程：随采场推进，上覆岩层悬露后在其 重力作用下弯曲（图 1（a））→岩层悬露达到一定跨度，弯曲沉 降发展至一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂（图 1（b））→中 部开裂形成“假塑性岩梁”（图 1（c））→当其沉降值超过“假塑 性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行跨落（图 1（d））。
2010 年第 6 期
总第 99 期
动控制在要求的位置上。当允许“假塑性岩梁”沉降至最终位
置（即无需控制）时，支撑“假塑性岩梁”的支架阻力可以为零。
但最大不必超过岩梁跨度 1/4 的岩重。即支护阻力 p 可以表示
为：
A≤P≤A+ mEγELO 4lK
（4）
式中 A- 支撑跨落岩层（直接顶）所必须的支护阻力，Pa；
S tudy on Gas Control Technology of Double Tail Roadway for Great length Fully Mechanized Caving Face Abs tract：According to the serious problem of exceeding gas, one mine K8205 great length fully mechanized caving face use "U+II （Double Tail Roadway）" style ventilation mode, in order to verify the effect of the Double Tail Roadway for controlling gas, analysis the gas emission law of the K8205 caving face in picks the period, and by comparing the single tail roadway with double tail roadway in the gas emission law, obtaines that using Double Tail Roadway can reduce the burden of drawing out gas for return airway. The gas concentration's amplitude reduction can reaches 13 percent; when the air volume in the return airway distribute reasonable, the face output can greatly improve. Using the technology of double tail roadway, the gas is on longer the main factors of limiting normal production for the great length fully mechanized caving face. Key words : great length fully mechanized caving face; Double Tail Roadway; Gas Control; high yield and high efficiency
大倾角采煤工作面覆岩运动规律研究
大倾角采煤工作面覆岩运动规律研究摘要：由于煤体的开采形成了自由空间，围岩应力产生重新分布，导致采场周围岩体向采空部分产生位移、破坏、冒落。
工作面上覆岩层的运动规律是矿压控制技术研究的重点，因此，研究大倾角煤层工作面上覆岩层的运动规律，对于弄清大倾角煤层的矿压显现规律及其控制具有重要的意义。
关键词：大倾角；工作面；覆岩；规律大倾角煤层与缓斜煤层在回采时产生的矿压显现规律大体上是一致的，在进行回采时由于煤层被采出从而引起工作面周围岩层的移动、破碎以及垮落，导致工作面周围岩层的原岩应力发生改变，使工作面的巷道发生变形破坏现象，支架的支撑压力增大造成支架受损。
但是在进行大倾角煤层的开采时又会受到倾角大的影响，围岩的垂直应力与水平应力之间所形成的夹角减小，导致垂直应力在水平方向上大大的增加，使得大倾角煤层在开采过程中引起的工作面上覆岩层的移动，顶板岩层的破碎垮落以及支架的承载能力等特征，在与缓斜煤层工作面相比较时又有了一些不一样的特性。
1大倾角煤层工作面覆岩变形与破坏分析大倾角煤层开采后，顶板岩层在没有垮落之前位移量不大，但一旦垮落其围岩的变形与破坏将十分剧烈，大倾角煤层工作面上覆岩层的移动、变形和破坏的分带性与缓斜煤层类似，也是由下至上依次分为冒落带、断裂带和弯曲下沉带，但是大倾角煤层由于倾角较大，地质条件特殊，除了要形成上述的三个带以外，在工作面上侧的顶板岩层中沿层面还形成剪切滑移带，剪切滑移带位于工作面上侧煤体的上方，由于顶板的冒落和倾角较大，造成了采空区上侧处于空洞状态，给剪切滑移带的岩层造成了活动空间，倾角较大而使重力产生的沿层面的分力加大，又给该带岩层的活动提供了可能，剪切滑移带是大倾角煤层区别于缓斜煤层的重要特征。
大倾角煤层上覆岩层运动还具有不对称性，沿工作面倾向方向上的采空区上下两侧顶板垮落不一致，采空区上部顶板垮落相对下部较充分。
顶板岩层虽然被破断但是还能保持一定的连续性，其最大沉降值位于工作面的中上部。
煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用
煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用煤矿地表移动与覆岩破坏是煤矿开采过程中不可避免的问题，对煤矿生产和安全造成了很大的影响。
因此，研究煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用具有重要的理论和实践意义。
一、煤矿地表移动规律煤矿地表移动是指在煤矿开采过程中，由于煤层采空引起的地表下沉和变形。
煤矿地表移动的规律主要受到以下因素的影响：1. 煤层厚度和倾角：煤层厚度和倾角越大，地表移动越明显。
2. 采煤方法：不同的采煤方法对地表移动的影响也不同。
如采用长壁采煤法，地表移动范围较大；采用短壁采煤法，地表移动范围较小。
3. 采煤深度：采煤深度越深，地表移动越大。
4. 煤层岩性：煤层岩性越硬，地表移动越小。
二、煤矿覆岩破坏规律煤矿覆岩破坏是指在煤矿开采过程中，由于煤层采空引起的覆岩破坏。
煤矿覆岩破坏的规律主要受到以下因素的影响：1. 覆岩厚度和倾角：覆岩厚度和倾角越大，覆岩破坏越明显。
2. 采煤方法：不同的采煤方法对覆岩破坏的影响也不同。
如采用长壁采煤法，覆岩破坏范围较大；采用短壁采煤法，覆岩破坏范围较小。
3. 采煤深度：采煤深度越深，覆岩破坏越大。
4. 覆岩岩性：覆岩岩性越软，覆岩破坏越大。
三、煤矿地表移动与覆岩破坏的应用煤矿地表移动与覆岩破坏的研究不仅有助于了解煤矿开采过程中的地质灾害，还可以为煤矿生产提供科学依据。
具体应用如下：1. 煤矿规划：在煤矿规划中，需要考虑地表移动和覆岩破坏的影响，以避免对周围环境造成不良影响。
2. 煤矿安全：煤矿地表移动和覆岩破坏会对煤矿安全造成威胁，因此需要采取相应的安全措施。
3. 煤矿开采：在煤矿开采过程中，需要根据地表移动和覆岩破坏的规律，选择合适的采煤方法和采煤深度，以减少地质灾害的发生。
总之，煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用是煤矿开采过程中的重要问题，需要加强研究，以保障煤矿生产和安全。
《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖
《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖于铁军
【期刊名称】《煤炭高等教育》
【年(卷),期】1990(000)001
【摘要】由中国矿业大学钱鸣高教授等人研究的《采场上覆岩层活动规律》获第四次国家自然科学奖三等奖。
该项成果系统地研究了采场矿山压力及其控制问题,发现了已破断的岩块互相挤压后形成“砌体梁”平衡的结构,根据老顶所处的各种边界条件,获得了老项作为“板”形式的各种破断方式及规律,提出了弹性板和梁的力学模型,在矿山压力理论上有重要发展,达到国际先进水平,在国内外受到高度评价和承认。
对采矿学科和煤炭工业的发展有重要的指导和推动作用。
【总页数】1页(P58-58)
【作者】于铁军
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】G64
【相关文献】
1."两硬"5m采高上覆岩层活动规律相似模拟试验分析 [J], 于斌;王爱国
2.我院谢向东教授参加的“非线性生态动力系统研究”项目获福建省自然科学奖三等奖 [J],
3.我院谢向东教授参加的“非线性生态动力系统研究”项目获福建省自然科学奖三等奖 [J], 无
4.大采高采场上覆岩层运动规律的研究 [J], 周献惠
5.生科院、材化学院项目获浙江省自然科学奖、技术发明奖三等奖 [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第21卷第6期1996年 12月 煤 炭 学 报JOU RNAL OF CHINA COAL SOCIET Y V o l.21 N o.6Dec.1996大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏陶连金 王泳嘉(东北大学)摘要 采用现场实测、相似模拟实验以及离散元模拟相结合的综合研究方法,对沿倾斜方向采场上覆岩层的运动与破坏进行了系统的研究.证实了剪切滑移区的存在,并按覆岩运动规律与破坏特征对围岩进行了分区.关键词 大倾角煤层 上覆岩层运动 剪切滑移区 离散元模拟 模型试验中图分类号 TD325大倾角煤层开采后,由于采场上覆岩层载荷沿层面方向的分量增加,而法向分量却相对减小,因此造成其矿压显现规律与缓倾斜煤层有显著差异[1].由于大倾角煤层的开采较少,这方面的矿山压力研究也相对较少.已有的研究主要是通过现场实测和模型试验进行的[2,3],在采场来压预报、支护设计以及老顶结构分析等方面取得了一些重要进展.对大倾角煤层安全开采起到了积极的作用.但是由于研究方法的限制,还不能对上覆岩层的运动和破坏作出直观确切的描述,老顶岩层所形成的力学结构也无法形象的展现出来.因此,弄清采场上覆岩层的运动与破坏规律,对于采场与回采巷道的岩层控制,丰富矿压理论具有重要意义.1 相似模拟试验模拟条件为一实际煤层,煤层倾角平均45°,直接顶由泥岩、砂页岩和砂岩组成,总厚度5m ,老顶为厚度14.0m 的分层较多但中等稳定的砂岩.工作面斜长80m ,采高3.0m .采用平面应力试验台,几何比为1/100;密度比为0.6.位移采用网格法和千分表相结合,围岩应力则用微压盒配合7V 13数据采集器自动采集,通过计算机实时输出、显示、绘图.工作面煤层一次采出后,顶板在覆岩载荷的作用下很快产生弯曲、离层、断裂直至垮落.在采场上方形成了不对称的冒落拱,其特征是上大下小(图1).其轮廓反映了直接顶的冒落特征.由于冒落矸石堆积充填了采空区的下部,造成了上部顶板相对悬空,致使冒落带形态明显不对称.老顶岩层由于下部矸石充填活动余量较小而只产生小范围的断裂和离层,逐渐形成裂隙带,形态上与冒落带相近,表示裂隙带岩层的极限平衡状态.工作面两侧及采空区中的压力测点的测试结果也同样表现出明显的不对称性.从以上试验结果的分析可以看出,大倾角煤层沿倾斜方向采场覆岩的变形、移动与破坏特征同缓倾斜煤层明显不同,表现在采空区充填程度、两带的高度与形态以及压力分布呈现出的不对称.采空区冒矸的充填是下实上空,由此造成上覆岩层的运动与破坏在时间和空间上均表现出不同步,工作面来压也经常是中上部先于下部,来压强度也是如此.2 离散元模拟计算采场上覆岩层由于受到节理裂隙等弱面的切割,表现出显著的非连续性和各向异性,冒落带和裂隙带岩层更是如此.而离散元法却恰好具有处理大变形与非连续介质的能力,尤其与边界元耦合后更能发挥其特长.因此,在这里用耦合法研究了沿倾斜方向采场上覆岩层的运动特征.离散元模型的计算条件与相似材料模型完全相同,计算范围取长和宽均为200m.模型单元布置与工作面开采位置如图2所示,底板、煤层、直接顶和老顶及上覆岩层分别具有不同的性质和参数.图1 覆岩冒落带与裂隙带形态Fig.1 M o r pho lo gy of caved zone and fr actured zones图中单位:m 图2 离散元计算模型Fig.2 Calculation model of DEM2.1 采场上覆岩层运动分析煤层采出后,顶板在载荷作用下挠曲变形并下沉.随着时间的推移,围岩位移持续增加,直接顶开始垮落,伴随着直接顶的大面积垮落,上位岩层随之运动.冒落的矸石充填满了采空区下部,但上部却局部空置.事实上,覆岩的运动在不同的层位、不同的位置(相对于工作面上下煤体)是不一样的.在围岩运动稳定后的位移和块体图上可以直观的看到岩层的运动特征(图3).冒矸以下滑为主;工作面上侧煤体的顶板以沿层面的剪切滑移为主;工作面下侧煤体的顶板以压缩变形为主;底板则表现为煤体下岩层的压缩变形和采空区下的膨胀变形.这些特点构成了大倾角煤层的围岩运动特征.上位岩层呈整体下沉,模型的上表面产生了半个下沉盆地,左侧位移最大,主要是铅垂位移,基本是盆地中心.工作面上部顶板的剪切滑移量很大,造成了边界块体与边界的分离.根据块体的破坏和移动状况,可以确定出冒落带和裂隙带的高度与形态,其结果与相似材料模拟试验结果十分接近.说明用离散元和边界元耦合法进行计算机模拟可以代替费时耗资的模型试验,它完全可以反映出采场围岩大变形与非连续的力学特性.2.2 围岩应力分布特征由围岩的运动与破坏分析可以看出,岩层的运动是一个动态过程,它对采场和回采巷道的作用也将是一个动态的过程,围岩应力分布也是一个动态过程.图4是围岩运动充分稳定后的主应力分布.可以看到,采空区冒矸及其底板应力均低于原岩应力,处于卸压状态.采空区冒落带中的应力分布紊乱,说明冒落岩块间没有稳定的力学联系.在工作面两侧煤体中却出现了应力集中,形成了支承压力,下侧支承压力峰值为1.51 H ,上侧煤体为1.20 H ,在底板一定范围内也有一定的传播.裂隙带及其上位岩层的主应力呈拱形.由此可见,在沿煤层的倾斜方向,采场上覆岩层也可以形成不对称的传力结构,它横跨于采场上方,使其上位岩层的载荷通过该结构传递到采场上下两侧的煤体上,形成了支承压力区,而位于其下方的采空区及其底板则由于传力结构对应力的“屏蔽”作用而处于保护状态下,采场两侧的煤583第6期陶连金等:大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏体即为该结构的两个支承点.由于这种传力结构的主应力分布呈拱形,因此称之为传力拱.这种传力拱结构在采场的走向和倾向均普遍存在,它具有传力、动态平衡以及空间特征,沿走向随推进距离而动态形成和发展[4],沿倾向在目前大倾角煤层工作面的长度范围内也普遍存在,这是用离散元数值模拟所得到的采场上覆岩层的力学结构.图3 顶板岩层的运动特征F ig.3 Character istics o f ro of r ock mov ement 图4 围岩的主应力分布Fig.4 Dist ribution of pr incipa l str esses in r ocks3 采场上覆岩层变形破坏特征根据相似模拟试验、离散元模拟计算以及与现场实测结果的对比,结合国内外有关研究成果,并对其它条件离散元计算结果进行了综合分析,总结出大倾角煤层开采采场上覆岩层的变形与破坏的普遍特图5 采场围岩的变形与破坏F ig.5 D efor matio n and failure o f strat a aro und the w or kings征.当煤层采出以后,上覆岩层除了要形成与缓倾斜煤层类似的3个带以外,还将在工作面上侧顶板形成沿层面的剪切滑移带,如图5所示.这是大倾角煤层的典型特征.根据岩层的运动与破坏特征,可以把围岩分为:Ⅰa ——不规则冒落带;Ⅰb ——规则冒落带;Ⅱa ——离层断裂带;Ⅱb ——导水裂隙带;Ⅲ——整体沉带;Ⅳ——层面剪切滑移带.根据传力拱特征及围岩应力分布可以粗略将围岩分为:A ——煤体上方支承压力区;B ——煤体下方支承压力区;C ——卸压区.由于煤层倾角较大,采空区上方顶板的冒落造成采空区上侧处于悬空状态,给剪切滑移带岩层创造了活动空间,而沿层面向下的分力又为该带岩层的下滑提供了动力.因此,该带岩层变形的主要特点是沿层面的剪切滑移,其范围可以根据岩层沿层面剪切的位移特征而圈定.滑移运动的结果造成了模型右侧个别块体与边界母体分离.剪切滑移带的存在增加了顶板不稳定的因素,容易造成工作面上部顶板抽条冒顶,使工作面支架不稳,而且使回风平巷不易维护.584煤 炭 学 报 1996年第21卷4 结 论(1)大倾角煤层开采后围岩产生的运动、变形及破坏均呈现出明显的不对称性,支承压力的分布也是如此.说明煤层倾角对矿山压力显现有显著影响.(2)沿倾斜方向采场上覆岩层形成非对称的传力拱,工作面上下两侧的煤体是结构的支点,传力拱的主应力分布呈拱形,它具有传力承载功能,同时具有动态平衡与空间特征,在上覆岩层中普遍存在.(3)大倾角煤层工作面上部顶板中存在着一个剪切滑移区,其存在加大了工作面上部及回风平巷的支护困难,是岩层控制的重点区域,必须保证该区域支架的强度和稳定性.参考文献1 陶连金.大倾角煤层开采矿山压力显现及其控制:[博士学位论文].沈阳:东北大学,19952 李栖凤.急倾斜煤层开采.北京:煤炭工业出版社,1984.58～753 石平五.急倾斜长壁面顶板破断和空间结构特征.矿山压力,1989(2):97～1044 陶连金,邢纪波.Ⅱ级老顶采场上覆岩层运动的D EM 模拟.矿山压力与顶板管理,1993(3～4):36～40作者简介陶连金,男,32岁,副教授.1983年毕业于黑龙江矿业学院,1986年于重庆大学获硕士学位,1996年于东北大学获博士学位.一直从事矿山压力与岩石力学方面的研究和教学工作,发表论文30余篇,专著两部,获国家教委、省、市科技进步奖5项,国家专利2项.辽宁省沈阳市东北大学计算中心,邮政编码:110006.MOVEMENT AND FAILURE OF OVERLYING STRATAIN A FACE IN STEEP SEAMT ao Lianjin Wang Yong jia(N or theaster n Univ er sity )Abstract A systematic investigation of the mo vement and failure of ov erlying ro cks in w o rkings is made by site observation,in-lab simulation test w ith equivalent materials and discr ete elem ent method.The ex istence of a shear slip zone is proved ,and the ov erlying strata are div ided into different zones ac-cor ding to the rules of strata mov em ent and characteristics of r ock failur e .Keywords steep co al seam ,mov em ent of overlying strata ,shear slip zone ,DEM ,model test 585第6期陶连金等:大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏。