采场底板应力分布及破坏机理
地下工程开挖引起的地质应力环境损害
地下工程开挖引起的地质应力环境损害地质应力环境的损害即围岩的二次应力状态。
若将初始应力看作一次应力状态，那么二次应力状态就是经人工开挖引起的、应力调整后的应力状态。
由大量的工程实践所观察到的围岩的二次应力状态主要可以分为以下三种：（1）围岩应力的弹性分布。
岩体自身强度比较高或者作用于岩体的初始应力比较低，使得洞室周围的应力状态都在弹性应力范围内。
理论上说，这种情况不必进行有关的支护，即可保持稳定。
（2）围岩应力的塑性分布。
由于作用岩体的初始应力较大或岩体自身的强度较低，洞室开挖后，洞周的部分岩体应力超出了岩体的屈服强度，岩体进入塑性状态。
随着与洞壁的距离增大，最小主应力也随之增大，提高了岩体的强度，并促使岩体的应力状态转为弹性状态。
处在弹塑性分布的洞室，必须进行支护，否则洞周的岩体将产生失稳，影响地下工程的正常使用。
（3）围岩应力的时间效应。
围岩的应力不仅有弹性和塑性，而且还具有时间效应。
岩石的时间效应是指岩石在受力过程中存在与时间有关的变形性质。
严格说，岩石的任何变形行为并非瞬间完成，而是具有一定时间历程。
所以作为一个与岩石变形有关的重要参数，时间应该包含在与应力及应变有关的方程式中。
当然，在大多数情况下，忽略时间因素的影响能够较好地获得围岩变形的计算与分析。
但是当围岩对应力或应变的变化反应迟缓时，就必须考虑时间因素的影响。
一、围岩应力和位移的弹性分析对于完整、均匀、坚硬的岩体，无论是分析围岩的应力和位移，或是评定围岩的稳定性，采用弹性力学方法都是可以的。
对于成层的或裂隙较发育的岩体，如果层理或裂隙等不连续面的间距尺寸与问题的整个尺寸相比较小，也可以利用线弹性分析。
（一）支护洞室围岩的应力状态的圆形洞室后，其二次应力状态可用弹性力学中的基在围岩开挖半径为r尔西（G.Kirsch）公式表示，即在轴对称条件下，即λ＝1时，由式（6-1）得到）的应力为当λ≠1时，得到洞室周边（即r＝r上式说明在洞室周边只存在切向应力，径向应力和剪应力均为零。
采动破坏规律及底板水害威胁程度
6 采动破坏规律及底板水害威胁程度6.1 顶板冒裂带高度计算6.1.1 理论基础1）覆岩遭受破坏的根本原因煤层开采后形成的采场空间，会引起围岩的原始应力变化，当围岩所承受的应力超过它的极限强度时，就会发生位移、开裂、断裂、直至破碎冒落。
因此，采场空间的存在，是覆岩产生破坏的根本原因。
（1）破坏性采动影响和非破坏性采动影响采后覆岩大面积缓慢整体移动或下沉，一般不产生连通性的导水裂隙，岩层的原始渗透性不发生明显的变化，属于非破坏性采动影响。
如果覆岩在发生变形、位移过程中伴有开裂、破碎、脱落使岩层原有的导水、隔水性能改变，就属于破坏性采动影响。
根据破坏程度和形式不同，破坏性采动影响分为冒落性和开裂性两种。
冒落性破坏是指覆岩在采动影响下，由于离层、断裂、破碎等，使一部分煤岩块从母体上脱落、自由地堆积在采空区内的现象，它对上覆水体或井巷的破坏是十分严重的。
开裂性破坏是指覆岩在采动影响下，只发生离层、开裂或错动，而不发生煤岩块脱落和“抽冒”，它虽然增加了岩层的导水性，但基本不破坏岩层的原有产状。
（2）规律性采动破坏和非规律性采动破坏以长壁工作面为代表的大面积均匀采煤，造成采高大致相同的采出空间，它的采动影响在垂直剖面上是以采场为中心，以顶底板及煤壁为起点向四周扩展，并逐渐减弱或消失的，因而它具有一定的分带性，并且比较有规律，故称为规律性采动破坏。
与之相反，以落垛、托煤顶等采煤方法为代表的采场，采高很不均匀，常常由于局部采高超出煤层而向上“抽冒”，采出空间很不规律，覆岩的采动破坏在垂直剖面上不具备分带性，没有规律可循，称为非规律性采动破坏。
2）覆岩采动破坏的分带性在正常条件下，根据覆岩采动破坏程度及其次生的透水、透砂能力，从开采煤层的顶板开始，由下而上大致可划分为三个不同的破坏影响带，即：冒落带、裂隙带和弯曲带。
（1）冒落带采煤工作面放顶后，顶板发生逐层冒落，直到冒落矸石接触上覆岩层，此冒落破坏范围为冒落带。
采场底板岩层破坏与损伤分析
第22卷 第1期岩石力学与工程学报 22(1)：35～392003年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan .，20032000年12月6日收到初稿，2001年5月15日收到修改稿。
作者 李兴高 简介：男，30岁，在读博士，1995年毕业于山东矿业学院采矿系采矿工程专业，现主要从事地下工程水环境方面的研究工作。
采场底板岩层破坏与损伤分析李兴高 高延法(北方交通大学土建学院 北京 100044) (山东科技大学矿压所 泰安 271019)摘要 底板岩层在采动过程中的破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。
在基于岩石工程破坏准则，探讨底板岩层破坏定义的前提下，依据现场综合观测资料，采用各向同性弹性损伤双标量模型的两个损伤变量描述底板岩层的裂隙演化，结合位移反分析的结果，研究底板岩层破坏的细观机理，可为开采煤层底板的安全性评价提供依据。
关键词 岩石力学，底板破坏机理，岩石工程破坏准则，位移反分析，各向同性弹性损伤双标量模型 分类号 TD 322.+1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)01-0035-05DAMAGE ANALYSIS OF FLOOR STRATALi Xinggao 1，Gao Yanfa 2(1 School of Civil Engineering and Architecture ，Northern Jiaotong University ，Beijing 100044 China ) (2 Strata Control Research Center ，Shandong University of Science and Technology ，Tai ’an 271019 China )Abstract The key to mining with pressure is to understand the floor failure mechanism by mining and waterpressure. The failure of the floor rock mass depends on floor stress field and distributions of the primary discon- tinuities. First ，based on the rock engineering failure criteria ，the definition of the floor failure is discussed. Then ，according to the in-situ comprehensive observation data ，by using two damage variables of the isotropic elastic damage model to describe the primary discontinuities of the floor ，the mesoscopic mechanism of the floor failure is studied with displacement back analysis. The presented study provides the foundation to evaluate the floor safety. Key words rock mechanics ，floor failure mechanism ，rock engineering failure criteria ，displacement back analysis ，isotropic elastic damage model with two scalar variables1 引 言受奥灰水威胁煤层“带压开采”的关键是必须搞清底板在采动和水压作用下的破坏机理。
后沟煤矿煤层开采后的底板“下三带”破坏深度分析
0 引言
煤层开采后，底板会出现变形破坏，简称“下三 带 ”， 其 破 坏 范 围 和 深 度 值 会 严 重 影 响 煤 矿 生 产 安 全 ， 因此，必须掌握其破坏状况和相应参数。在回采工作 面或者井下大巷布置钻孔、注水观测技术探测煤层底 板破坏深度范围，形成有效的探测空间，进而研究模 拟煤层开采前后底板的变形规律和深度范围，是比较 成熟的技术之一，具有高精度、施工简单的优势，能 很好地分析煤层开采后底板的变形和破坏规律，为矿 井安全提供必要的数据基础。
1 “下三带”的形成及破坏方式
“下三带”是在井下巷道掘进和工作面采动过程中 工作面和巷道周围岩体的变形破坏，是煤层采后诱发 应力重新分布的必然结果。煤层底板一定深度范围内 岩体的应力改变，会使得岩体发生位移变形。矿压扰 动破坏带、有效隔水带和潜越导水带，统称为“下三带”。
根据“下三带”理论，岩层连续遭到破坏，其导 水性因裂隙的产生而发生明显改变。促使导水性明显 改变的裂隙在空间分布范围内，称为底板导水破坏带； 自开采煤层底板至导水裂隙分布范围最深部边界的法 线距离，称为“下三带破坏深度”[1]。
2019 年第 6 期 （总第 165 期）
2019 年 6 月
实践运用
后沟煤矿煤层开采后的底板“下三带”破坏深度分析
崔晨
（阳煤集团景福煤业有限公司，山西 寿阳 045400）
摘 要： 井工煤矿开采后，由于矿压等因素，煤层底板会出现不同程度的变形破坏 （简称为“下三带”），进而降低底
板隔水岩柱的原生强度和厚度。这对于受奥灰岩溶水威胁的矿井，势必会加大矿井突水的危险。为了解决这个问题，采
用现场观测试验法，井下工作面钻孔、连续注水观测的方法，成功查清了后沟煤矿煤层底板破坏深度的问题。
关键词： 下三带；底板；破坏深度；注水观测
近距离煤层采空区底板破坏特征及影响分析
近距离煤层采空区底板破坏特征及影响分析发表时间：2014-12-09T09:22:22.687Z 来源：《价值工程》2014年第10月中旬供稿作者：王保锋[导读] 采空区底板下周围的岩体，在支撑压力达到承受的范围，就促使采空区底板隆起一个连续的滑移面。
王保锋WANG Bao-feng（山西马堡煤业有限公司，长治046300）（Shanxi Mabao Coal Co.，Ltd.，Changzhi 046300，China）摘要：针对近距离煤层开采过程过中，上层煤开采过后导致下层煤巷道围岩受扰动破坏，下层煤回采巷道围岩破碎严重、完整性较差的实际情况，利用滑移线场理论再结合部分矿场，进行实际计算不同采高时上层煤采空区底板破坏的范围，并根据两煤间距变化情况对不同状况下下层煤巷道稳定性进行分析，得出了采空区底板最大破坏深度随采高的增加而增大、两煤间距越大对下层煤巷道稳定性影响越小的结论。
Abstract院In the mining process of close distance coal seams, after mining the upper coal seam, the lower coal roadway surroundingrock will be damaged by disturbance. The surrounding rock of the lower coal gateway will be serious broken and with poor integrity. Basedon this situation, by slip line field theory, and combined with some mine fields, the upper coal seam goaf floor damage range is calculated.And according to the distance between the two seams, the lower coal seam gateway stability is analyzed. The conclusion is that themaximum damage depth of the goaf floor increases as the mining height increase and the bigger the distance between the coal seams, theless impact on the stability of the lower coal seam gateway.关键词：底板破坏范围；围岩稳定性；近距离煤层Key words院floor damage range；surrounding rock stability；close distance coal seam中图分类号院TD353 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）29-0147-020 引言近些年，随着高产高效技术的不断发展，促使很大一部分开采条件较好的煤矿得到很大的发展，但是由于发展速度较快也导致一些近距离的煤层在开采时出现的问题也迅速被人们重视起来。
煤层底板采动破坏特征研究
煤层底板采动破坏特征研究
近年来，由于煤炭研究技术的发展，采煤面板的控制成为提高生产的有效工具。
与此同时，针对煤层底板采动破坏特征的研究也受到关注。
究竟煤层底板采动破
坏特征有哪些？下面我们就来具体了解一下吧。
一、煤层底板采动破坏特征
1、强度特性：煤层底板在强度和稳定性上有很大变化，煤层底板可能出现破坏温度、强度和硬度属性显著降低，采煤面板结构和变形属性发生迅速变化，有可能发生瓦斯、煤尘爆炸等危及生命安全的重大灾害。
2、变形特性：在采煤时，当煤层底板受力过大时，采煤面板会发生渗流及变形，
当应力过大时，煤层底板破损会发生持续和猛烈的变形，可能导致瓦斯爆炸及棚板塌陷。
3、结构特性：当煤层底板受力太大时，微小的rectified line fracture会发生，煤层
底板的破坏会发生局部空间的变形，并增加采煤的困难，可能引发大穴顶板破坏，如果顶板破坏剧烈，还会影响节点的支撑行程。
二、改善煤层底板采动破坏的措施
1、加强控制：建立煤层底板采动破坏的历史档案，完善采煤面板控制策略，在进
行采煤工作之前进行相关部位的控制，从而减少采煤风险。
2、采用新技术：研发新技术，让采煤面板技术更加安全，降低瓦斯治理的相关成本，能更好地满足煤层底板采动破坏的要求。
3、完善培训：加强煤矿工作人员的安全技术培训，使他们能够更加正确地控制采
煤面板，减少煤层底板采动破坏的风险。
综上所述，煤层底板采动破坏特征有强度特性、变形特性、结构特性等，要想有效改善煤层底板采动破坏，应加强控制、采用新技术、完善培训等相关措施。
仅仅通过以上步骤，才可能有效改善煤层底板采动破坏的特征。
带压开采底板应力场及变形破坏特征试验研究
３５ ．ｍ；由于山西组 ６煤层下伏与奥陶系灰岩强含水层相沟通的太灰岩含水层，水压达到 ３９Ｍ ａ 与煤层 ＃ ．５ Ｐ ， 底板相距 ４ ～ ５ ５ ５ｍ左右 ， 根据井下钻孔资料 ， 单孔涌水量一般都大于 ２０ ｈ ５ｍ／ ，最大为 ６０ Ｓｈ ０ｍ ／ ，太灰含 水层是 ６煤开采 的间接充水含水层 ，因此该断层 是影响工作 面安全生产的主要 因素 。
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第 ２ 卷 第 ６期 ４
２０ ０７年 １ 月 １
贵州大学学报（自然科学版 ） Ｊｕｎｌｏ Ｇ ｉ ｏ ｎｖｒｔ （ ａ ｒ ｃ ｎｅ ） ｏｒａ ｆ ｕ ｈｕＵ ｉｅ ｉ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃｓ ｚ ｓｙ ｕｌ ｅ
Ｖ １ ４ Ｎ０ ｏ ．２ ．６ ＮＯ ．２ ０ Ｖ ０ｒ ７
带压 开采煤层 底板 及 断层 处的应 力场及 变形破 坏特征 。重点讨论 了煤层 底板 的应 力、位 移随 工 作 面开采 的变化规 律 ，为 带压 开采 突水 防治提供 理论 依据 。 关键词 ：底板 突水 ；相 似模 拟 ；带压 开采
中 图分 类号 ：Ｔ ７ ５＋ ２ Ｄ ４ ． 文献标识 码 ：Ａ
１ 引 言
随着浅部煤层的枯竭 ，开采强度的增加 ， 矿井的深度不断延伸 ， 自 来 煤层底部奥陶纪灰岩高承压水 的危害 日 趋加剧 ， 许多学者¨ 进行了有效 的探索。杨善安分析认为断层 面倾向采空 区方向的采空区 边界底板断层最容易发生突水；黎良杰、钱鸣高等认为闭合型断层突水主要是断层两盘按板的规律破坏 或断层两盘关键层接触部产生强度失稳 ，靳德武等从动力学的角度分析了煤０ Ｏ—ｌ ８
作者简 介： 王贵虎 （９ ２一 ，男 ，安徽理工大学土木工程系岩土教研室教师。 １７ ）
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第 ６期
煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义
煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义煤矿底下，尤其是煤柱下方的底板岩层，那可真是个“神秘”区域。
大家知道，煤矿的采掘工作不像你我家里搬家那么简单，下面的情况复杂得很，尤其是在那些岩层深处。
煤柱周围的压力分布更是个大问题。
你想想，煤矿就像是一个巨大的地下迷宫，底下的岩层就像是这些迷宫的墙壁，承受着成千上万吨的压力。
所以，搞清楚这些岩层中的应力分布，能帮我们了解那些潜在的危险。
就像你如果在走钢丝，要知道钢丝的承重能力，稍不注意可就会出事。
煤柱下方的底板岩层应力分布，简单来说，就是岩层在受到煤柱压迫时，力的分布情况。
它不像你想象中的那么均匀，有些地方受力大，有些地方受力小。
这个“力”的分布就像是一锅刚炖好的热汤，热气四溢，哪里一不小心就会溅出水花。
所以，了解这个分布，可以提前发现可能的隐患。
煤矿的安全，简直关乎每个人的生命，哪怕是多出一丝丝的警觉，也能救命。
你要是仔细看底板岩层的应力，就能发现一些有趣的事情。
就比如说，有些地方受力明显比较集中，像极了我们日常生活中的“热点区域”。
这些地方不仅压力大，岩层可能还会因为长期的挤压和应力作用，发生微小的裂纹，哪怕这些裂纹看起来不大，可一旦“火花四溅”，那可就会引发地震一样的灾难。
反过来，受力较小的地方，岩层的稳定性会相对更好，就像是用铁锤砸下去，感觉就有劲儿，不会轻易崩塌。
要知道，煤矿的底板岩层受力状况的变化，直接影响到矿井的开采安全。
如果我们对这些区域的应力分布没有足够的了解，一旦采掘作业展开，尤其是大规模采掘，底板岩层可能会因为过大的应力作用发生突然的塌陷，造成灾难性的后果。
你想，地下几十米深的地方发生塌方，谁能扛得住？而且底板岩层并不是单纯的“一个面”，它也是由一块块岩石拼接而成的，每一块岩石的承受能力、材质、结构都有差异。
这就像是修一栋大楼，每一根柱子如果强度不均衡，那栋楼迟早会出现问题。
所以说，煤柱下方的应力分布，给我们带来的不仅是“前车之鉴”，还让我们对矿井的管理和安全有了更深的认知。
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0 50
层厚 /m
72 26 30 12 58 65 29 10 0 30
后方采空区一定范围内煤层底板内出现了应力释放, 呈现卸载状态。
运用工程中常用的莫尔 - 库仑准则, 底板内某点 的最大剪应力 [ 9- 10] 为
max =
2 xy
+
(
x2
y )2
( 6)
底板任意点的破坏判据为
x + y tan + c 2
tan2 + 1
m ax
( 7)
2 数值模拟
2 1 计算模型的建立 孙疃 1028工作面煤层埋深 400 m, 倾角 17 , 采
0
kH
-b
1+
b
x (y [ x2 + (y -
)
2
)
2
]
2
d
+
a
H
0
k+
( 1- k) a
x (y[ x2 + ( y -
)
2
)
2
]
2
d
( 4)
xy = - 2
0
kH
-b
1+ b
x2 ( y [ x2 + ( y -
) )
2
]
2
d
+
a
H
0
k+
( 1+ k) a
x2 (y [ x2 + ( y -
) )
状态的煤岩体对底板应力的重新分布没有影响, 则工 作面前方支承压力可看成煤壁至应力峰值的三角形 带状载荷与应力峰值前方的梯形带状荷载, 工作面前 方底板任一点的应力则看成这两个带状载荷在半无 限弹性体下的传递 [ 7- 8] 。力学模型如图 1所示。
取煤壁前方集中应力最大值处为坐标原点, 为了 求得底板任意一点 M ( x, y ) 的应力, 设集中应力最大 值为 FM = kH , H 为原岩应力, k 为应力集中系数, 集中应力峰值的前后方荷载均为连续线性, 在 AB 上 距坐标原点 处, 其上所受的荷载 q ( ) 见式 ( 1) , 其 中: a 为集中应力峰值处至超前支承压力边界 A 的距
第 11期
孟祥瑞等: 采场底板应力分布及破坏机理
1 83 3
图 1 底板应力分布计算 F ig 1 C alcu lation of floor stress d istr ibution
离; b为煤壁至集中应力峰值处距离。
kH 1 +
q( ) =
b
H
1- k a
+k
[ - b, 0) ( 1)
[ 0, a]
2
]
2
d
பைடு நூலகம்
( 5)
以 x /H 和 y /H 为纵坐标, 以 y 为横坐标, 根
据式 ( 3) 和式 ( 4) 绘制 x /H 与 y、 y /H 与 y 的关
系曲线 ( a = 40 m, b = 10 m, k = 2 4, x = 5 m ) , 如图 2
所示。
从图 2可知: 距工作面 10 m 处的采空区, 煤层底
收稿日期: 2010- 07- 01 责任编辑: 柴海涛 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 51074003, 51074005) ; 高等学校博士学 科点专项科 研基金项 目新教师 类 ( 200803610001 ); 高等学校 博士
学科点专项科研基金项目 ( 20093415120001 ); 安徽省优秀青年科技基金资助项目 ( 10040606Y 31 ) 作者简介: 孟祥瑞 ( 1965 ) , 男, 吉林洮南人, 教授, 博士生导师。 E - m ai:l xrm eng@ aust edu cn
第 35卷第 11期 2010年 11月
煤 炭学报 JOURNAL OF CH INA COAL SOC IETY
文章编号: 0253- 9993( 2010) 11- 1832- 05
采场底板应力分布及破坏机理
V o.l 35 N o. 11 N ov. 2010
孟祥瑞, 徐铖辉, 高召宁, 王向前
( 2)
d xy = - 2qd
x2 (y [ x2 + ( y -
) )2 ] 2
整个分布荷载对底板任一点 M ( x, y ) 所产生的 应力为
x =- 2
0
kH
-b
1+
b
x3 [ x2 + (y -
)2]2d +
a
H
0
k+
( 1- k) a
x3 [ x2 + ( y -
)2]2d
( 3)
y =- 2
Abstract: According to abutm ent pressure d istribut ion in fron t o f the work ing face, an elast ic m echan ica lm ode l calcu lated to any po int stress o f floor w as established. T he floor rock m ass dam age criterion w as g iven comb ined w ithM ohr Cou lomb. In term o f geological condition in the Suntuan 1028 face, theory ana lysis and FLAC3D num erica l sim ulat ion show that floor fa ilure zone affected by m ining is betw een 0 to - 17 m under coa l seam, w here vert ical crack and hori zonta l crack are both fully deve loped, and the zone o f - 17~ - 33 m under coal seam is slightly affected by m ining. V erified by se ism ic and resistiv ity test on site, the theoretical analysis and num erical calcu lation m ethods are correct and feasible. K ey w ord s: floo r dam age m echanism; stress distribution; se ism ic; resistiv ity
18 34
煤 炭学报
2010年第 35卷
岩石名称
顶板
细砂岩 砂泥岩
煤
砂质泥岩
粉砂岩
底板
中砂岩
粉砂岩
细砂岩
采空区矸石
表 1 数值计算中部分岩层物理力学参 数 Tab le 1 M echan ical p aram eters of som e rock s for num er ical calculation
高 3 m, 工作面长度 180 m。数值计算模型 14层, 顶 板 5层, 底板 9层, 模型走向长 360 m, 倾向宽 360 m, 网格数 61 488个, 节点数 67 146个。工作面方向为 y 轴, 推进方向为 x 轴, 铅直方向为 z 轴。
模型 的 4 个侧面施加法向约束; 顶部为自由边 界, 根据地表至顶部距离施加相应的荷载, 模型底部 边界施加垂直约束。顶底板部分岩层岩性及物理力 学参数见表 1。 2 2 模拟结果分析
图 3 底板 5 m 垂直应力分布 F ig 3 V ertical stress distribution of 5 m bo ttom depth
图 4 底板不同深度垂直应力走向 变化趋势 F ig 4 The change trend o f vertical stress o f d ifferen t bottom depths
板水平应力几乎为 0, 而垂直应力降 为 0 32H 。到 工作面前方 4 2 m 处, 底板水平应力为 H , 而垂直应
力为 0 9H , 可以看出, 在工作面煤壁前方到工作面
图 2 x /H 、 y /H 与 y 的关系 F ig 2 T he re lationship between x /H and y, y /H and y
图 5 不同位置垂直应力深度方向 变化趋势 F ig 5 The chang e trends o f vertica l stress w ith
depth a t different po sitions
图 6 工作面倾斜剖面塑性区分布 F ig 6 P lastic zone d istribution o f face tilt pro file
密度 / ( kg m- 3 ) 体积模量 /GPa 剪切模量 /G Pa 内聚力 /M Pa 摩擦角 / ( ) 抗拉强度 /M Pa
2 710 2 619
15 80
20 20
5 60
31 5
6 70
8 10