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大孤岛工作面区域性剪切破坏冲击机理研究
2017-10-26
孤岛工作面由于受到两侧采空区侧向支承压力的共同影响,冲击危险性高于普通工作面, 因此极易引 发整体失稳冲击。虽然采用大孤岛工作面开采可以有效避免该类冲击的发生,但仍然存在局部冲击 危险。为了研究 大孤岛工作面的局部冲击特性,通过建立力学模型分析煤体内部的三向应力状态,由微元煤体的剪 切破坏进一步推 导得出区域煤体的剪切破坏准则,并提出大孤岛工作面区域性剪切破坏冲击的判据。该研究结果为 大孤岛工作面开 采提供了理论依据。
Series No. 496 ꢀ Octoberꢀ 2017 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 496期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 2017 年第 10 期 大孤岛工作面区域性剪切破坏冲击机理研究 1 1 2 2 1 王玉霄 ꢀ 姜福兴 ꢀ 王永宝 ꢀ 刘维信 ꢀ 方ꢀ 婷 ( 1. 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2. 山东东山王楼煤矿有限公司,山东 济宁 272072) 摘ꢀ 要ꢀ 孤岛工作面由于受到两侧采空区侧向支承压力的共同影响,冲击危险性高于普通工作面,因此极易引 发整体失稳冲击。 虽然采用大孤岛工作面开采可以有效避免该类冲击的发生,但仍然存在局部冲击危险。 为了研究 大孤岛工作面的局部冲击特性,通过建立力学模型分析煤体内部的三向应力状态,由微元煤体的剪切破坏进一步推 导得出区域煤体的剪切破坏准则,并提出大孤岛工作面区域性剪切破坏冲击的判据。 该研究结果为大孤岛工作面开 采提供了理论依据。 关键词ꢀ 孤岛工作面ꢀ 三向应力ꢀ 剪应力ꢀ 区域性剪切破坏 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD823ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2017)-10-183-04 Study on Mechanism of Local Shear Failure for Large Isolated Working Face 1 1 2 2 1 Wang Yuxiao ꢀ Jiang Fuxing ꢀ Wang Yongbao ꢀ Liu Weixin ꢀ Fang Ting ( 1. School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China; 2. Shandong Dongshan Wanglou Coal Mining Co. Ltd, Jining 272072, China) Abstractꢀ As isolated working face is influenced mutually by side abutment pressure of goaf at both sides, the risk of rockburst is extremely higher than that in the general working face, so it is more likely to induce rock burst with the whole in- stability. Although large island faces can effectively avoid such accidents, there still exists local rock burst. Aiming at study the characteristics of the local rock burst of large isolated working face, it would be able to analyze the threeꢁdimensional stress state within coal seam through building the mechanical model, further deduce the principles of shear failure of local coal from the shear failure of infinitesimal coal and propose the criteria for local rock burst occurring in large isolated working face. The research results provide a theoretical basis for mining large isolated working face. Keywordsꢀ Isolated working face, Threeꢁdimensional stress, Shearing stress, Local shear failure ꢀ ꢀ 孤岛工作面由于其特殊的结构特征,是发生冲击 本研究以王楼煤矿 12310 大孤岛工作面为例,从 煤体受力情况出发,结合弹性力学知识探究大孤岛工 作面在较高的侧向支承压力情况下煤体内部的应力 状况,并得出孤岛工作面发生区域性剪切破坏的力学 条件以及影响因素,为大孤岛工作面的开采提供理论 依据。 [ 1-3] 地压的重要场所 。 我国近些年来因为开采孤岛工 作面发生了多起冲击地压事故,造成了重大的人员伤 亡和经济财产损失。 由于开采孤岛工作面理论体系 尚未成熟以及开采方法的不合理导致冲击事故频发。 如新疆某矿在 2010 年 W1143 孤岛工作面发生了冲 击地压灾害,造成 4 人死亡,1 人重伤,工作面采煤机 和支架受到严重破坏;河南某矿于 2011 年 11 月 3 日 发生重大冲击地压事故也与孤岛工作面有关,事故造 成 10 人死亡,数十人受伤;山东某矿在 2015 年发生 了孤岛工作面冲击事故,结果造成巷道几近闭合。 由 上述案例可知,孤岛工作面存在着很高的冲击破坏危 险性,在开采前必须先确定其开采的可行性,并寻找 合适的方法进行开采。 1ꢀ 工程概况 王楼煤矿 12310 大孤岛工作面由原先的 12308 和 12310 两个工作面组成,大孤岛工作面北部为宽度 135 m 的 12312 采空区,东南部为总宽度 300 m 的 12306、12304 采空区,所采煤层为 3上 煤层,工作面走 向长度为 1 050 m,倾向长度为 300 m,煤层平均埋深 902 m,平均厚度为 2. 1 m,倾角 5 ~ 10°,单轴抗压强 度为 16. 2 MPa,具有强冲击倾向性;煤层上方 4 m 为 收稿日期ꢀ 2017-09-04 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:51674014)。 作者简介ꢀ 王玉霄(1991—),男,硕士研究生。 · 183· 总第 496 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 10 期 厚度 28. 5 m 的中砂岩,上方 285. 23 m 为 125 m 的巨 厚岩浆岩,由于存在厚硬顶板,因此工作面上方易形 [ 4-5] 成大面积悬顶,从而诱发剧烈的矿震 孤岛工作面煤层顶板情况如表 1 所示。 。 12310 大 表 1ꢀ 12310 大孤岛工作面煤层顶板情况 Table 1ꢀ Condition of coal roof of 12310 large isolated working face 图 1ꢀ 大孤岛工作面空间结构图 岩层序号 岩石名称 厚度/ m Fig. 1ꢀ Space structure of large isolated working face 1 1 9 8 表土层 岩浆岩 … 450. 4 125 … ìΔσmax xtanα, H ö æ è 0,tanαø H … 6 Δσmax æ è 2 - xtanαö æ H 2H ö ètanα,tanαø , H ø 粉砂岩 泥岩 17. 4 4. 6 5. 4 25. 2 28. 5 4 5 æ 2H ,L - 2H ö . tanαø 4 粉砂岩 泥岩 Δσ = í0, ètanα 3 Δσ′max 2 - xtanαö æ æ è L - ta2nHα,L - H ö tanαø 2 中砂岩 泥岩 , è H ø 1 0 3 上 煤 2. 1 îΔσ′maHx xtanα, H L - tanα,L æ è ö ø 2 2 ꢀ 区域性剪切破坏冲击机理和力学判据 . 1ꢀ 区域性剪切机理和煤体内部应力估算 ( 1) 根据孤岛工作面整体失稳原理,孤岛工作面的整 式中,Δσmax 和 Δσ′max 分别表示孤岛工作面两侧采空 区应力增量的最大值;α 为岩层移动角。 Δσmax 和 Δσ′max 的计算式为 [ 6-7] 体稳定性受到工作面宽度的影响 ,由于孤岛工作 面较普通工作面而言受到两侧的采空区影响,如果宽 度过小,两侧所形成的侧向支承压力峰值区域可能叠 加在一起,危险性会更高。 随着孤岛工作面宽度的增 大,两侧的侧向支承压力峰值将会错开,从而有效避 免发生整体失稳。 但由于孤岛工作面采深较大且两 侧存在较大面积采空区,作用于煤体的侧向支承压力 仍然很高,易形成局部应力高峰。 在原岩应力下,煤 体处于平衡状态,受到外部的应力增量作用后,煤体 内部的三向应力状态将发生改变。 垂直应力增大,原 先的平衡状态将被打破,最大主应力与最小主应力的 Δσmax = [ L 1 + (H + h1 )cotα ][H - h ] γ 1 , (2) 2 Hcotα = [ L 2 + (H + h2 )cotα 2Hcotα ][H - h ] γ 2 Δσ′max , (3) 其中,γ 为岩层平均容重。 孤岛工作面煤体的自重应力为 ìγxtanα, æ è H ö 0,tanαø [ 8] 应力差随之增大, 形成较大的剪 应 力 。 根 据 摩 尔—库伦准则当煤体所受的剪应力超过了煤体的极 限抗剪强度,煤体将发生剪切破坏,一定范围内的单 元煤体连续发生剪切破坏会导致煤体形成区域性的 剪切破坏,进而引发冲击地压。 H ,L - H ö tanαø æ ètanα σg = íγH, γ(L - x)tanα, . (4) (5) æ è H ö ø L - tanα,L î ꢀ ꢀ 则孤岛工作面煤体所受的总应力为 σ(x) = Δσ + σg. 如图 1 所示,孤岛工作面左侧为 12304 和 12306 两个工作面形成的采空区,宽度为 L1 ,垮落带高度为 h1 ;右侧为 12312 形成的采空区,宽度为 L2 ,垮落带高 度为 h2 ,两侧采空区上方岩梁的一部分重力作用于 孤岛工作面,分别为 Δσ1 ,Δσ2 。 孤岛工作面采深为 H,宽度为 L,煤层厚度为 h。 由式(1) ~ 式(5)可知,在 æ è 2H ö > 2H tanα L - tanαø 的情况下大孤岛工作面煤体所受垂直应力经过叠加 后呈马鞍型分布。 根据孤岛所受应力情况建立力学 模型,如图 2 所示。 两侧采空区对孤岛工作面的应力增量可表示为 [ 6 ] 分段函数如下 : · 184· ꢀ ꢀ ꢀ 王玉霄等:大孤岛工作面区域性剪切破坏冲击机理研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 10 期 式中,[τ]表示剪切面的抗剪强度;Ic 为煤体发生破 坏时,剪切面上的剪应力与抗剪强度的比值。 如果许多煤体单元连续发生剪切破坏,将形成区 域性剪切破坏,如图 3 中的黑色(孤岛工作面两端) 区域部分,应力峰值附近为发生区域性剪切破坏的高 危险区。 煤体的区域性剪切破坏成为大孤岛工作面 发生局部冲击地压的主要因素。 该部分煤体所受到 图 2ꢀ 大孤岛工作面应力分布图 Fig. 2ꢀ Distribution of stress in large isolated working face 的平均剪应力为 - 以大孤岛工作面上边界面为 xy 面,z 轴垂直向下 ∬D τds . τ = (11) 建立空间直角坐标系。 式(5)中,孤岛工作面煤体表 面所受侧向支承压力为 σ(x),由孤岛工作面的赋存 条件可知煤体的体力分量为 ∬D ds 由式(10)和式(11)可得区域性剪切破坏引发冲击地 压的判定条件为 fx = 0,fy = 0,fz = ρgH, 式中,ρ 为煤体的密度;g 为重力加速度。 边界条件为 (6) - τ τ] = Ic ≥ 1. 5. (12) [ [ σz ]z = 0 = - σ(x) . (7) { [ σx ]x = 0 = 0 [ 9 ] 根据弹性力学 可求得煤体内部的应力分量为(因 为弹性力学中规定拉力为正值,压力为负值,本文以 正值为准,因此所求得压力均需变换符号): 2 ìσx = 2μ μ - 2μσ(x) + 1 - μρgz 1 图 3ꢀ 大孤岛工作面区域性剪切破坏示意 Fig. 1ꢀ Diagram of local shear failure of large isolated working face μ μ íσy = 1 - 2μσ(x) + 1 - μρgz. σz = σ(x) + ρgz (8) 根据应力分布特征,积分区域 D( 黑色区域部 分)为一个波峰范围内的煤体,x 的积分区域为一个 波峰的跨度,z 的积分区域为煤体厚度。 由式(9) ~ îτyz = τzx = τxy = 0 ꢀ ꢀ 由式(8) 可以看出煤体内部各点的应力分量受 ( 12)可以看出孤岛工作面煤体发生区域性剪切破坏 煤体表面的应力 σ(x)和水平位置 x,垂直位置 z 以及 泊松比 μ 和煤体密度 ρ 的影响。 与应力 σ(x)、波峰的范围、煤体的厚度、泊松比 μ 以 及煤体抗剪强度[τ]等因素有关。 2 . 2ꢀ 区域性剪切破坏力学判据 得到煤体内部的应力分量的解答后,取其中的一 3ꢀ 工程验证 由工作面概况可得大孤岛工作面宽度 L = 300 个煤体单元,认为其足够小,设横坐标为 x0 ,分析该 单元煤体所受的三向应力是否会引起剪切破坏。 由 式(8)可知,在受到两侧采空区的侧向支承压力后, 单元煤体受到最大主应力为 σz ,最小主应力为 σx 。 m,平均采深 H=902 m,煤层平均厚度 h =2. 1 m,煤体 单轴抗压强度为 16. 2 MPa。 该工作面东南部为开采 12306 和 12304 工作面形成的采空区,总宽度 L1 = [ 8 ] 3 00 m,西北部为 12312 工作面采空区,宽度为 L2 = 由摩尔库伦准则,最大剪应力可近似表示为 τ = σ1 - σ3 = σz - σx = 135 m。 岩层移动角 α = 83°,煤体泊松比 μ = 0. 3,抗 剪强度为[τ] =10 MPa。 根据式(1) ~ 式(5),经过计 算得到 σ(x)表达式为 2 2 2 - 2μ - 2μ σ(x0 ) + 2(1 - μ) 1 2 1 - 2μ ρgz, (9) (1 ꢁ 2μ) 式中,σ1 、σ3 分别为最大主应力和最小主应力。 如果单元煤体发生剪切破坏需满足如下力学条 ì2. 33x, (0,42) - 1. 9x + 177. 8, (42,82) σ(x) = í22, (82,230). (13) [ 10 ] : 件 1 . 53x - 329. 05, (230,268) τ τ] î- 2. 5x + 750, (268,300) = Ic ≥ 1. 5, (10) [ · 185· 总第 496 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 10 期 失稳的力学机制探讨[ J]. 岩石力学与工程学报,2012 ( S2): 将 2 个波峰区间(0,82) 和(230,300) 的表达式分别 3 508-3513. 代入式(9) ~ 式 (12) 中,得到 ( Ic )1 = 1. 8,( Ic )2 = Shi Hong,Wang Cunwen,Kong Linghai,et al. Mechanism discussion on rock bursting caused by coal pillar of S-sharped overlying multi- strata spatial structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012(S2):3508-3513. 1 . 6。 所求得的 Ic 均高于 1. 5,说明波峰区域内的煤 体处于极强的剪应力下,部分煤体已经发生了破坏, 再加上构造等因素的影响,发生冲击地压的可能性很 大。 根据采前冲击危险性评价,得到强冲击危险区 [ 5]ꢀ 姜福兴,Xun Luo,杨淑华. 采场覆岩空间破裂与采动应力场的微 震探测研究[J]. 岩土工程学报,2003(1):23-25. 1 5 个,中等冲击危险区 9 个,弱冲击危险区 8 个,因 Jiang Fuxing,Xun Luo,Yang Shuhua. Study on microseismic monito- ring for spatial structure of overlying strata and mining pressure field in longwall face[ J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 此在开采过程中应当采取适当的卸压措施。 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)大孤岛工作面由于宽度较大,不易发生整体 2 003(1):23-25. 冲击,但仍存在局部冲击危险。 在受到两侧采空区的 侧向支承压力后,煤体内部的三向应力状态发生改 变,最大主应力与最小主应力的应力差增大,从而形 成剪切破坏。 [6]ꢀ 冯ꢀ 宇,姜福兴,李京达. 孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性 评估方法[J]. 煤炭学报,2015(5):1001-1007. Feng Yu,Jiang Fuxing,Li Jingda. Evaluation method of rock burst hazard induced by overall instability of island coal[ J]. Journal of China Coal Society,2015(5):1001-1007. ( 2)在应力峰值范围内,如果有连续的煤体单元 [ 7]ꢀ 姜福兴,成ꢀ 功,冯ꢀ 宇,等. 两侧不规则采空区孤岛工作面煤 体整体冲击失稳研究[ J]. 岩石力学与工程学报,2015 ( S2): 发生剪切破坏,将形成区域性剪切破坏,进而引发冲 击地压。 4 164-4170. Jiang Fuxing,Cheng Gong,Feng Yu,et al. Research on coal overall instability of isolated working face with irregular gobs on both sides 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ ( J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015 S2):4164-4170. [ 1]ꢀ 齐庆新,窦林名. 冲击地压理论与技术[M]. 徐州:中国矿业大学 出版社,2008:1-8. [ [ [ 8]ꢀ 蔡美峰,何满潮,刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京:科学出版 社,2002. Qi Qingxin,Dou Linming. Theory and Technology of Rockburst[M]. 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