采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响

第 28 卷第 2 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2009 年 4 月 Vol.28 No.2 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Apr. 2009 收稿日期：2007-01-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50074023)；教育部博士学科点基金资助项目（20050704003）；西安科技大学培育基金资助项目（200601） 作者简介：张 杰（1978-），男，四川 达县人，博士，主要从事浅埋煤层的研究。本文编校：于永江 文章编号：1008-0562(2009)02-0161-04 采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响 张 杰 （西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054） 摘 要：煤层的开采高度对关键层的破坏有重要影响，为了研究采高对组合关键层破坏的影响，运用数值分析方 法分析组合关键层有关参数的基础上,研究了采高变化对组合关键破断的影响，即对采场来压步距的影响，进而 修正了浅埋煤层开采采场初次来压步距的计算公式。结果表明，以该修正的组合关键层破断距公式计算的大柳塔 1203 工作面的初次来压步距与实测非常接近。该公式对于地表厚松散层浅埋煤层中的组合关键层的破断距计算 具有一定的适应性。 关键词：浅埋煤层；组合关键层；采高；破断距 中图分类号：TD 31 文献标识码：A Influence of mining height of main roof on broken length ZHANG Jie (College of Energy Science and Engineering, Xi'an University of Science & Technology, Xi'an 710054, China) Abstract：The mining height has important influence on the destruction of key strata, In order to study the important influence on the destruction of combinatorial key strata, based on the analysis of parameter about combinatorial key stratum, the influence of mining height of combinatorial key strata on broken length of the harden strata, or roof weighting step in long wall face was investigated by the finite element method. The formulae of calculating the roof weighting step was constructed . The study indicates that according to the formulae of combinatorial key stratum, coal roof weighting step in the 1203 face in Da-liu-ta mining is co the observation value. The consistency proves the formulae of combinatorial key stratum is Correct. The conclusion that shallow coal seam covered with thick loose layer should use the theory of combinatorial key stratum is proved. Key words：shallow seam；combinatorial key strata；mining height；broken length 0 引 言 随着地下煤炭资源的开采，采场围岩必将产生 移动、变形和破坏，并在不同阶段形成不同结构， 关于这些结构的形成有很多假说和理论，其中具有 代表性的有压力拱假说、悬臂粱假说、预成裂隙梁 假说、铰接岩块假说、传递岩梁理论、砌体梁理论 等[1-3]，坚硬岩层移动与控制的关键层理论[4]。 文献[5-9]研究表明，在浅埋煤层开采中，煤层 上老顶岩层形成组合关键层，组合关键层的破坏将 对采场矿压、覆岩移动和地表沉陷产生影响。文献 [10]研究表明采高的变化对关键层的破断产生较大 影响。同样，采高对浅埋煤层中的组合关键层的破 断也有很大影响，为了研究采高对组合关键层的影 响，本文运用数值模拟计算，在考虑采高的影 响下，分析组合关键层的破断规律。 1 组合关键层的定义及判别 在地面厚松散层浅埋煤层中，当覆岩中存在两 层及以上老顶硬岩层时，无论上部或下部的硬岩层 都将对下部或上部的硬岩层的采动变形和破坏产 生影响，在厚松散层作用下，这就使得上部第二层 老顶所形成的变形曲率可能大于下部第一层老顶 的变形曲率。此时，第二层老顶岩层的载荷仍然部 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 28 卷 162 分要第一层老顶来承担，也就是第一层和第二层老 顶与其间的岩层形成组合岩梁，共同承担其上的载 荷，而且可能同步破断，即组合关键层[5]。 图 1 为一厚松散层浅埋煤层力学模型，岩层 1 为第 1 层老顶，n+1 为第 2 层老顶，从第 1 层老顶 算起共有 m 层岩层，m＞n，其上为松散层，各岩 层的厚度为 ih （ i =1，2，3，…，m）；密度为 giρ ( i =1，2，3，…，m)，地面松散层载荷集度为q ； iE 为第 i层岩层的弹性模量（ i =1，2，3,…, m）。 当第二层老顶变形曲率大于第一层老顶变形 曲率即为 11 1 11 1 ++ +≤ nn n IE M IE M （1） 将组合岩层的相关参数代入公式（1）可得组 合关键层判别式 1)( 1 3 1 3 11 ≤⋅+⋅ ∑∑∑∑ =+=+== n i ii m ni iii m ni i n i ii hEqghhEgh ρρ （2） 当上覆岩层和厚松散层满足公式（2）时，则 表明第一层和第二层老顶及其相关的岩层形成了 组合岩梁，共同承担自重及其上的载荷。 图 1 浅埋煤层力学计算模型 图 2 模拟模型单元划分 Fig.1 mechanical model of shallow seam Fig.2 unit dividing of model 2 采高对组合关键层破坏的影响 2.1 模拟模型的建立 文献[10]研究表明，关键层极限破断距 mL 与采 高M 存在以下线性关系。 )( 01 MMklL mm −−= （3） 同样，采高对组合关键层的破断距也有很大影 响，针对图 1 的浅埋煤层力学模型，以大柳塔 1203 工作面组合关键层的参数为依据进行数值模拟分 析，其力学参数见表 1。计算模型走向长 90 m，高 55 m，模型底部边界和左右边界固定，上部为自由 边界。模型的单元划分根据各岩层的物理力学特性 及厚度进行划分，硬岩层的划分近似其破断块长 度，松散层划分密度较大，模型单元划分见图 2。 模拟开采分别以采高为 1 m、2 m、3 m、4 m、 5 m、6 m 进行，研究中根据关键块垮落时工作面的 推进距离来确定组合关键层的破断距。模拟单元划 分中由于组合关键层破断块的划分长度为 15 m，而 1203 工作面实测破断块的长度为 13.8 m，所以工作 面的推进距离做相应倍数的缩小进行计算，同样由 于破断块的划分长度为 15 m，模拟过程中显示的破 断块长度相等，对于工作面的初次来压步距取破断 岩块垮落时工作面的推进距离。 表 1 1203 工作面组合关键层有关参数 Tab.1 parameters of 1203 face’s combinatorial key stratum 序号 岩 性 厚度 /m 密度 /（kg·m－ 3） 抗压强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 内聚力 /MPa 弹性模量 /104MPa 8 风积沙 27.0 1.6×103 7 风化砂岩 3.5 2.3×103 6 粉砂岩(风化) 2.0 2.3×103 21.4 3.8 1.80 5 砂岩 2.4 2.5×103 38.5 3.03 7.6 4.34 4 砂岩互层 3.9 2.5×103 36.8 3.03 4.1 3.07 3 砂质泥岩 2.9 2.4×103 38.5 1.53 3.8 1.80 2 粉砂岩 2.0 2.4×103 48.3 3.83 4.1 4.00 1 粉砂岩 2.2 2.4×103 46.7 3.83 4.1 4.00 n+1 n m q 第 2 期 张 杰：采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响 163 2.2 模拟结果分析 在模拟过程中，老顶岩层（组合关键层）的破 断距随着采高的增加而减小。在采高为 1 m 的模拟 中，工作面推进到 33.1 m 时组合关键层破断，由于 直接顶垮落碎胀后基本把采空区充填满，组合关键 层破断后上覆岩层发生了下沉，但地表下沉平缓， 没有形成下沉台阶，采空区上覆岩层中裂隙闭合， 见图 3。在采高为 2 m 的模拟中，工作面推进到 31.3 m 时组合关键层破断，组合关键层破断后由于工作 面没有连续推进，所以尽管地表下沉量达 0.5 m， 但也没有明显的下沉台阶，见图 4，随着工作面的 连续推进，组合关键层破断岩块发生滑落失稳引起 覆岩台阶下沉量达 0.6 m，但地表仍然没有台阶下 沉。当采高大于 3 m 后，组合关键层的破断距仍然 是随采高的增加而不断减小，尽管模拟中没有连续 推进，但地表下沉量和下沉台阶随采高的增加剧 增。 图 3 采高 1m 图 4 采高 2 m 图 5 采高 3 m Fig.3 mining height 1m Fig.4 mining height 2 m Fig.5 mining height 3 m 图 6 采高 4 m 图 7 采高 5 m 图 8 采高 6 m Fig.6 mining height 4 m Fig.7 mining height 5 m Fig.8 mining height 6 m 计算表明，组合关键层的破断距随工作面采高 的增加而减小，破断距与采高的关系见表 2。由表 可知，随着采高的增加，破断距以及破断距减小量 关系见图 9 和图 10。由表和图可以看出，采高在 1～ 2 m 范围内组合关键层的破断距受采高的影响最 大，采高大于 6 m 后破断距减小量很小。 表 2 破断距 LZ 与采高 M 的关系 Tab.2 relation between LZ and M M/ m 1 2 3 4 5 6 LZ/ m 33.1 31.3 30.4 29.4 28.5 27.6 图 9 破断距与采高关系 图 10 破断距减小量与采高关系 Fig.9 relation between broken length and height Fig.10 relation between broken length minimum and height 采高/m 破 断 距 /m 1 2 3 4 5 6 27 28 29 30 31 32 33 34 543 2 10 -0.2 -0.4 -0.6-0.8 -1.0 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 -2.0 破 断 距 减 小 /m 采高增加/m 164 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 28 卷 3 组合关键层破断距计算公式修正 通过不同采高开采的数值模拟计算表明，组合 关键层的破坏与采高 M 有关，采高越大，顶板活 动越剧烈，组合关键层的破断距就越小；采高越小， 顶板活动越缓和，组合关键层的破断距就越大。采 高在 1～2 m 范围内组合关键层的破断距受采高的 影响最大，采高大于 6 m 后影响很小。随着采高的 增加，组合关键层破断距基本成线性关系减小，假 设组合关键层破断距的折减系数 zk 与采高M 成线 性反比关系，通过线性拟合，得出了组合关键层的 极限破断距 zL 与采高M 的线性拟合方程为 )( 0MMklL zzz −−= （4） 式中， zl 为采高 0M =2 m 时的组合关键层极限破断 距， zk 为组合关键层极限破断距随采高增加的递减 系数，取 zk =0.92。 公式（4）与公式（3）相比，采高对组合关键 层破断距影响比采高对单一关键层的影响小。因 此，在考虑采高影响时应该对组合关键层破断距公 式进行修正，修正后的计算公式为[11] )( )1(2 0MMkq hL z z t zZ −− − ⋅= φσψ （5） 式中，ψ 为组合效应系数， zh 为组合关键层的 厚度， tσ 为组合关键层的抗拉强度，φ 为流固耦合 损伤变量因子，M 为采高， 0M 采高为 2m， zk 为 组合关键层极限破断距随采高增加的递减系数，取 zk =0.92。 4 实例分析 大柳塔煤矿 1 203 工作面覆岩参数见表 1，通 过分析表明第一层老顶 4 号岩层和第二层老顶 7 号 岩层形成组合关键层[12-13]。组合关键层由 4、5、6、 7 层组成，总厚度为 13.4 m，进而可求得组合关键 层弹性模量为 42.99 10 MPa× ，组合关键层载荷为 20.88 MN / m ，组合关键层 tσ 取第 7 层岩层的抗拉强 度，即 3.03 MPat =σ ，组合关键层中软弱夹层的总 厚度与两硬岩层总厚度不等，组合效应系数 9.0=ψ ；组合关键层受流固耦合损伤的流固耦合损 伤变量因子φ =0.19。实际采高 M=4 m，M=2 m，采 高影响系数 92.0=zK ，根据公式（5）计算其组合 关键层初次极限跨距。 )24(92.0 108.8 )19.01(1003.324.139.0 5 6 −− × −×× ×=zL =26.6 m 1203 工作面实测初次来压步距为 27.6 m，在考 虑组合效应、流固耦合损伤以及采高影响下的组合 关键层破断距计算结果为 26.6 m，计算结果与实测 非常接近。 5 结 论 通过数值模拟分析了采高对组合关键层破断 距的影响，明确了采高对浅埋煤层组合关键层极限 破断距,即对浅埋煤层采场来压步距的影响。研究表 明，采高对组合关键层破断距的影响比采高对单一 关键层的影响小，在单一关键层中其影响系数为 1.3，而在组合关键层中其影响系数为 0.92。因此， 在考虑采高影响时，应对组合关键层的破断距计算 公式进行修，应用修正的公式实例分析计算的结果 与实测更接近，在浅埋煤层中更具有适用性。 参考文献： [1] 钱鸣高，缪协兴，何富连.采场“砌体梁”结构的关键块分析[J].煤炭学 报，1994，19(6)：557-563. 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