1、急倾斜煤层工作面三带分布特征分析摘要：急倾斜煤层开采岩层破坏机理和地表移动理论研究，是矿山开采沉陷理论研究的重要组成部分。由于煤层倾角大于45，岩层受切向作用力大于法向作用力，急倾斜煤层开采岩层变形破坏机理、岩层移动机制、地表移动规律与水平煤层开采有显著的不同。在以往的研究中，无论是对位移场的几何描述，还是对变形场的力学描述，均没有提出较好的岩层移动理论模型。急倾斜煤层开采沉陷理论研究在岩层破坏机理、岩层移动机制及地表移动计算等方面存在不足，从而使急倾斜煤层开采岩层及地表移动研究落后于水平及缓倾斜煤层开采岩层及地表移动研究。本文针对急倾斜煤层开采的地质采矿特点和岩层受力破坏特征，通过建立急倾斜
2、煤层开采顶底板岩层力学模型、岩层移动理论模型，在理论上对急倾斜煤层开采岩层破坏机理及岩层移动机制进行了深入研究，建立了急倾斜煤层开采岩层弯曲变形和滑移变形共同作用的上覆岩层移动模式，提出了将开采空间转化为滑移空间利用概率积分法进行计算的急倾斜煤层开采地表移动预计方法。利用离散元数值模拟计算模型，研究了煤层倾角、煤层开采厚度、采空区阶段垂高、煤层群开采顺序等因素对岩层受力、变形、破坏的影响。关键词:急倾斜；开采沉陷；岩层移动；滑移变形；梁一柱理论；楔形破坏区；滑移空间；开采设计The Analysis of Distribution characteristics of three areas
3、of Steep Seam FaceAbstract：Study of strata failure mechanism and surface subsidence theory in steeply-Inclined coal seam mining，is the important component of mining subsidence theory. For the coal seam dip angel is larger than 45,the effect of forces along the plane of rock strata is bigger than the
4、 effect of forces perpendicular to the plane, so the strata failure mechanism and strata movement pattern are distinctly different from horizontally or gently inclined coal seam mining. In the past research, no matter what strata movement geometrically described or stress deformation mechanically de
5、scribed, no suitable theoretical models were put forward to study strata movement model for steeply-inclined coal seam mining. So compared to the study of strata movement of gently-inclined coal seam mining, the theoretical research of strata and surface movement in steeply-inclined coal seam mining
6、 is insufficient in the aspect of strata failure mechanism, strata movement pattern and surface subsidence prediction.Based on the geological and strata pressure-bring characteristic in steeply inclined coal seam mining, the mechanisms of rock strata and surface movement were theoretically studied i
7、ntensively. An overburden movement model combined by strata bending deformation and slipping deformation was established for steeply-inclined coal seam mining. The paper used numerical simulation model of UDEC to study the influence of coal seam dip angle，mining height, level vertical height of goaf
8、, and multi-seam mining sequence on the stress， deformation and strata movement. As an application example study.Keywords: steeply-inclined coal seam mining; mining subsidence; strata movement; slipping deformation; beam-pillar theory; wedge-shaped failure region; slipping spaee; coal mining design.
9、1.前言地下煤炭资源采出后，必然引起采空区周围岩体的应力状态发生改变，岩层的原始应力平衡状态受到破坏，引起上覆岩层的移动变形，如果采空区面积足够大，时间足够长，这种移动变形就会发展至地表，引起地表沉陷。采深越浅、采出矿体越厚，地表沉陷就越剧烈。岩层和地表产生移动、变形和破坏的过程称为开采沉陷川。开采沉陷会导致岩体内部的井巷工程发生破坏、地下水出现流失，地表建(构)筑物的破坏。煤矿开采引起的地表沉陷一直是我国煤炭工业发展面临的一个重大问题。煤矿开采形成的大面积的采煤沉陷区，造成大量建筑物、交通设施、耕地等的严重破坏和生态环境的恶化。据不完全统计，目前仅我国国有重点煤矿造成的采煤沉陷区的面积己超过
10、3000km2，随着煤矿开采强度的加大，我国采煤沉陷区的面积还在以每年120km2的速度不断增加。另一方面，为了保护地表建筑物等不受开采损坏，各矿区又划定大量的保安煤柱不予开采，形成严重的“三下”(指建筑物下、铁路下、水体下)压煤问题，据不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤达数百亿吨。“三下”压煤造成大量资源浪费，直接影响到影响煤炭企业的生产接续和经济效益。我国煤炭的赋存条件千差万别，其中急倾斜或大倾角煤层的开采越来越受到人们关注。在我国，急倾斜煤层一般指煤层倾角大于55的煤层。急倾斜煤层总的储量和历年产量虽然在我国仅占5%左右。但矿井数量众多，据不完全统计，全国重点矿区有20多处100多个矿
11、井进行急倾斜煤层的开采，急倾斜煤层的矿井数约占全国重点矿井数的六分之一。其中急倾斜煤层赋存比重较大的有乌鲁木齐、北京、淮南、六枝、开滦、北票、南票、徐州、辽源、窑街、包头、通化、南桐等矿区。我国大部分矿区急倾斜煤层煤质优良，具有很高的开采价值。随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，开采的强度和范围不断扩大，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复杂的急倾斜煤层开采。对于赋存有急斜煤层的缺煤省份及边疆少数民族省区来说，更要利用好自身的资源优势，快速提高急斜煤层的产量。如北京木城涧煤矿大台井，开采侏罗系急倾斜煤层，煤层倾角4588“。
12、大台井保护煤柱区域压煤量达 1100万吨储量，煤柱储量占矿井总储量的三分之一，造成矿井生产接替紧张，矿井准备煤量储备严重不足。因此，要保持矿区生产的高产高效和可持续发展，也必须加强对急倾斜煤层开采岩层与地表移动问题的研究。2.急倾斜煤层开采岩层破坏机理研究在急倾斜煤层开采条件下，工作面一般沿煤层的走向方向或伪走向方向推进，采用柔性支架或密集支柱进行顶板支护，支柱或支架回收后直接顶垮落，垮落岩块向采空区底部滚动，采空区顶部一般悬空，沿采空区倾斜方向将形成二次支撑结构，老顶岩层在上覆岩层的压力作用下发生弯曲变形。现场实测也表明，顶板下沉沿工作面长度方向的分布通常是不均匀的，其一般规律是工作面上部和
13、中部下沉量比工作面下部大。图1为以下沉等值线表示的急倾斜倒台阶工作面顶板下沉分布情况。由图可知，下沉等值线大致沿台阶工作面的轮廓分布，且工作面下部的等下沉线分布比工作面上部稀疏，这表明工作面下部的顶板下沉比工作面上部缓和。也就是说，在距煤壁相同距离处，工作面上部的顶板下沉量比下部大。图1急倾斜煤层倒台阶工作面顶板下沉等值线分布图在急倾斜煤层开采条件下，顶板岩层除了在竖直方向发生移动外，还存在沿层面方向的移动。随着煤层倾角加大，顶板重力沿层面方向的分力增加，使工作面顶板沿层面方向的移动更加显著。尤其是在倒台阶工作面中(图2)，由于下台阶和中台阶的回柱放顶，切断了这些台阶下部的顶板，使上台阶顶板的
14、下端被截断而呈悬空状态(图2-剖面)。这时，悬空岩体的重力使上台阶的整个顶板向下垂落，对切断的台阶造成向下的拉力，这种拉力随煤层倾角和悬垂岩石体积的增加而增大，而且在工作面最上端达到最大。由于岩石的抗拉强度通常比抗压强度小得多，所以在这种拉力作用下很容易在工作面上部产生沿走向的裂隙，从而使整块顶板岩石由裂隙处开始与母体分离，沿层面逐渐向下滑移，并且带动该处的支柱向下倾斜以至倒落，最后整个顶板可能发生冒落。一般来说，急斜煤层开采顶板岩层沿层面滑移的方向，是在走向方向上岩层滑移朝向采空区的后方，沿倾斜方向上朝向采空区的下方。沿层面滑移的剧烈程度是采空区上部比下部大，特别是在靠近采空区方向滑移量更大
15、。此外，急倾斜煤层开采的岩层滑移还与顶板岩石的性质有关，顶板岩石愈软弱破碎或存在弱面，则沿层面移动愈剧烈。由于急斜煤层开采顶板岩层沿层面方向的移动远较缓斜煤层剧烈，所以应加强工作面支架抵抗倾倒的性能，以确保生产的安全。图2急倾斜煤层开采工作面的岩层移动急倾斜煤层开采顶板岩层移动的上述特点，是与岩层的受力特点分不开的。在开采急倾斜煤层时，由于煤层倾角较大，岩层重力作用方向与岩层层面方向所成的夹角变小，使重力沿岩层层面的切向力大大增加，且大于法向力。所以，在研究急倾斜煤层开采岩层变形破坏特征时，必须特别重视岩层受切向力的作用。如果把采空区上覆岩层视为两端具有一定支撑形式的梁，则急倾斜煤层开采岩层所
16、受的切向力可以视为对梁的轴向作用力，而法向力可以视为对梁的横向作用力。因此，可以利用梁一柱理论对急倾斜煤层开采岩层变形破坏问题进行计算分析。在梁的初等弯曲理论中，梁的应力和挠度与作用的载荷成正比。这就要求梁由弯曲引起的变形不影响载荷的作用。对于拉伸与弯曲组合的直梁变形计算问题，假定直梁的抗弯刚度很大，可以忽略轴向力对弯曲变形的影响。但是如果直梁的抗弯刚度较小、弯曲变形较大时，轴向力对弯曲变形的影响不能忽略。特别是当轴向力为压力时，它将增加直梁的弯曲变形，更不能忽略。如图3-a，只承受横向力Q1和Q2作用的梁，微小的挠度1和2对弯矩和剪力的影响可以忽略，于是，可以在梁的原有形状基础上计算挠度、应力、弯矩等。在这一条件下，假设材料符合胡克定律，则挠度与作用的载荷成正比，叠加原理可以适用，即最终变形为各载荷单独作用所产生的变形之和。但是对于图3-b，梁的弯矩、剪力、应力及挠度并不与轴向力的大小成比例，它们的值与所产生的挠度大小有关，轴向力对它们影响很大。同时承受
