道清煤矿动力现象机理研究

1、道清煤矿动力现象机理研究1动力现象区域地质概况北斜井本部属于一不对称向斜构造，南翼陡以至于直立、倒转， 北翼地层较缓，约35°，其向斜轴为北东至近北东东向，向东倾伏，倾伏角30°左右，轴部标高为+475-800m。煤层赋存的强烈不协调，局部区域煤层倒转。如煤层倾角变化较大，基本以倾斜和急倾斜为主；煤层厚度变化非常大，最小为0.6m,最大达26.81m,是典型的凸镜状煤层。煤层结构复杂，一般多由 23个分煤层组成， 多者由十余个分煤层组成。煤层顶板岩相变化较大，为砂岩或砂页岩，底板为页岩或砂页岩，易于隆起。2动力现象发生机理及发生条件分析煤体压缩型动力现象机理及发生条件研究由

2、于采矿活动而形成的煤岩结构，其组成材料为煤和岩石，煤岩结构中的一部分材料不可避免地要在超过峰值强度的塑性区工作。特别是煤体，其抗压强度远低于围岩的抗压强度，成为煤岩结构中的薄弱部分。试验表明，煤（岩）试件具有应变软化性质和变形局部化现象。煤岩结构的变形向某一具有一定尺度的区域集中， 煤岩结构系统由平衡态向非平衡态过渡，当受到外界扰动时，煤岩结构失稳而产生煤体压缩型动力现象。在一定的采场空间内，开采前煤岩体结构承受原始应力的作用，包括由自重应力、 构造活动引起构造应力、采空区内煤岩几何形状及性质不均匀引起的结构应力， 以及由于地质历史形成在采空区煤岩体内残存的应力，这些都构成了煤岩体的原始应力水

3、平，是煤岩体的应力基础。在原始应力和采动应力作用下，较坚硬的顶、底板将煤体夹持。煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体围岩交界处的卸载变形。随着工作面的开采，上覆坚硬顶板悬露弯曲下沉，使煤体被更加压实，承受更高的压力，煤体夹持作用增强，系统积聚的弹性能增加，如图5.3所示。且沿倾斜方向，离采场煤壁越近，夹持力越大，反之越小。图5.3采场与煤体夹持示意图随着开采的进行，采空跨度增大，煤体所受夹持力增强，煤体由弹性区向弹 性-塑性软化区、塑性软化区发展。结合发生煤体压缩型动力现象发生的实际情况，建立力学模型如图5.4。图5.4采场的简化模型假设煤层沿水平走向和沿y轴方向无限长，取单位宽度计算。采空区跨度

4、为 2a,煤层高度为ho顶板为剪切梁，等效剪切模量Go顶板所受上部岩体压力q 为均匀分布，挠度为w下部煤层受压力z、剪力w作用。采空区较小时，煤层 产生弹性变形，存在软化区临界位置ai；当a句时，煤层开始软化；当a句时, 煤层软化区深度为p a；继续开采至一定深度时，产生动力现象。随着载荷q的增长，软化区范围p逐渐扩大，并存在一个极值点p。在极限 载荷p作用下，采煤工作面处于临界状态。采煤工作面的稳定性取决于上部载 荷和采空跨度带来的扰动。根据极值点失稳理论，煤体压缩型动力现象地压的发 生判据为：dqda0 或0 (5-5) dpdp软化区临界位置ai的确定：因煤层在a ai时，只发生弹性变形

5、，由 z t得到：aiGh( 1) (5-6) E q工作面煤层出现软化区后，如果继续向前推进，软化区将扩大，煤体所受火 持作用降低，围岩-煤煤间的摩擦系数见小，煤体沿层面卸载、移动能力增强。利用x p时煤层变形的连续条件及发生判据5-7,得到煤层软化区最大深度为:273h v2 t -13(1 Vi)q 1 (1)9q (1 )(1 Vi)Ei式中h煤层高度；煤层与顶、底板之间的摩擦系数；降模量；t 临界时等效应变强度，t 2w/(j3h)；E 弹性模量；' ' 'V (1 2 )(1)/(1)。当采空区跨度达到最大深度时，软化区煤体将不能承受顶板的压力， 在水平 应

6、力作用下失去稳定，释放积聚的弹性能，向工作面方向涌出，发生煤体压缩型 动力现象。B)顶板断裂型动力现象机理及发生条件研究顶板的稳定性主要受拉应力控制，岩石微破裂的发生、发展是拉深破裂的结 果，每个拉伸破裂都是一次拉伸失稳释放能量的过程。在井下采煤工作面经常会 感觉到这类拉伸失稳而产生的震动。在一定的条件下，特别是在坚硬且完整的岩 层中，将会出现较大范围的拉应力区而发生微破裂。由于不断受到扰动，微破裂不断增加，平衡状态的稳定性逐渐减小，当最后 处于稳定平衡的极限状态时，微小扰动引起的微破裂造成雪崩式的连锁反应，发生拉伸失稳破坏，顶板岩层突然裂开，产生宏观裂缝，使得系统储存的弹性能迅 速释放而发生

7、顶板断裂型动力现象。顶板承受的内力由弯矩、扭矩和剪力组成。当某区域的拉应力增大到临界值 时，就会发生动力现象，分析得出顶板的每次拉伸破裂而发生动力现象的条件为：m t ( 5-8)式中t分别为岩石的等效拉应力和顶板岩体的抗拉强度。为了描述岩体结构在拉应力作用下的失稳破坏现象，采用分段线性的材料本 构关系对顶板的应力状态和稳定性进行分析。图 5.5为图5.2的简化图，简化图中 认为压应力和压应变是线弹性的弹性模量为 Ef。(h b)22lf (5-9)取岩梁某一特征面(图5.6a)为研究对象，在最大应力达到强度极限之前，横 截面上各点的应力沿高度呈线性规律分布(图5.6b)。设在距离中轴l处的应

8、力达 到f时，横截面上弯矩达到极限值 M此时应力分布如图5.6c所示，受压应 力合力为：11 (h b)N02 0(h b)万丁(h b)受拉区拉应力的合力为:11一Nt 2 fl 2( f t)(b l) (5-10)由三角形相似，有1Nt - f (1)(b 1) (5-11)2由平衡条件NoNt, l b,并设整理得到(1)b2 2hb h2 0 .11解方程得到b Lh h,h11于是得到截面上的弯矩2_1 23221212,、Mf -h2 2-(1)3 2 3 2(1 -2)2(1)(1 -)(1 -)(5-12)622设:整理得到:6M fh2r(5-13)这里的 为岩石的等效拉应

9、力，即m。若计算得到的m值满足式m t,则顶板拉伸断裂，失稳释放能量产生动力现象。随意微小断裂的完整顶桥一会受到其扰继由拉伸断裂破坏的中蛆围不断增大:史应使顶“最终整治发生，周围动而达到失05.5岩石受拉分段线性本构关图qw能量，3板破裂的范平衡状态被打破，顶板大面积峨5,6鹏出册狂戳闻瞅戴螂臧留野痂断裂型动力现象发生。对于急倾斜煤层在具有坚硬顶、底板的情况下，顶板不冒落，形成大面积悬 顶，一旦顶板破裂，将发生大震级的动力现象。C）断层错动型冲击机理及发生条件研究迄今为止，断层冲击的研究还很少。大部分研究仅是对震后所造成的灾害情 况进行报道或通过统计分析得到断层冲击发生前后煤岩体变形破坏规律。

10、徐世杰等人分析了影响台吉矿断层冲击的几个因素。齐庆新等才用砂岩实验，验证了 Brace勺粘滑现象，揭示了断层冲击的一些现象。Salamone出把沿断层发生的大 然地震机理作为断层冲击的机理， 实际上断层冲击是受采矿活动的诱发的。 潘一 山认为断层冲击是断层带介质和围岩组成的系统在采矿活动诱发扰动下的变形 失稳问题，对断层冲击的机理进行了研究，并进行了实验验证。由于断层错动型冲击都发生在断层附近，所以必须考虑断层和围岩的上下盘图5.7围岩一断层系统厂厂n 丁 n组成的断层围岩系统，如图5.7所示。图5.8断层围岩系统在没有开采前，断层带介质和上、下盘围岩处于平静平衡状态。煤层开采后， 形成自由空

11、间，对断层形成附加剪切应力，在该附加剪切力和原有的剪切力作用 下，断层带岩石发生变形。一般情况下，和上、下盘围岩相比，断层带岩石为较 软弱岩石，其应力一应变曲线关系如图 5.8所示。当开采范围较小时，附加应力 较小，此时断层带岩石仍处于峰值强度前阶段，是稳定材料。随着开采的扩大， 工作面距断层的距离缩小，附加剪切应力增大，当附加剪切和原有断层带剪切应 力之和大于峰值强度c时，断层带岩石变成应变软化材料，成为非稳定材料。由 于一般情况下，上、下盘围岩强度要远远大于断层岩石的强度，所以此时上、下 盘围岩还处于弹性或硬化阶段，是稳定材料。这样整个变形系统就由两部分材料 组成，断层带的非稳定材料和上、

12、下盘的稳定材料。当断层带岩石变形达到一定 值时，变形系统处于非稳定状态，在开采扰动下就会发生失稳而产生断层冲击。图5.8为带宽为2b的围岩一断层系统，通过对模型的分析可以得到断层冲击 的发生条件。该系统由上下盘完整岩体与断层构成，同时围岩周边还受有正应力和剪应力 的作用。图中x y xy为作用于断层围岩系统边界的3个应力分量，其中，x y, Q为围岩作用于断层的剪力；H为断层作用于围岩的剪力”为断层的 切向位移；Uh为围岩的切向位移；D为半条带厚度；B为围岩边界到断层的距 离。取长为L ,厚为D的半条带作为研究对象。受纯剪的岩石在考虑其损伤演化后，可得其正应力 -应变关系为： ' &#

13、39;g exp J)m (5-14) 0式中g',r'分别为岩石受纯剪时的初始弹模和峰值剪应力时的剪应变；m软化参数；g断层的初始剪切弹模。断层岩体是在围岩作用下破裂的。不失一般性，围压作用下考虑损伤演化的 岩石剪应力-剪应变关系也可表示为：g exp (一)m (5-15) 0围岩处于弹性阶段，具剪应力-剪应变关系为：G H (5-16)断层和围岩内的应变是均匀的，他们的几何关系分别为:b(5-17)45-18)将式4-15, 4-16代入4-17, 4-18得到断层和围岩半条带上的剪力与横向位移的关系分别为:Q(u)u ,m迪ue不b(-)mue u0 (5-19)P H

14、 GDLuH kuH k(a u) (5-20)以上各式中G为围岩的H刎闻。味Nj明明w图5.9围压作用下断层岩体的本构关系初始剪切弹模；U0为断层的软化参数；U,Uh分别为断层和围岩 的相对切向位移；a为围岩边 界绝对位移。图 5.9 中 Uc，Uj,Ut，Us 分别 为剪力达到最大时的位移、失 稳时的位移、失点的位移及突 跳后的位移。系统总势函数为:e f W (5-21)11其中：系统所受外力功W Pa ka(a u) 22围岩的弹性变形能e 1k(a u)22u断层的变形能 0Q(u)du系统平衡时满足平衡方程：k u 3 a uexp ()m0 (5-22)2u。由''

15、;0,得 Uc Uo(1 1/m)1/m围岩的弹性刚度：ke k断层的刚度kf exp ()m 1 m()muouo在 uc 处有：kf m exo ( 1 1 / m)刚度比：K ikfr exp(1 ) k mm将平衡状态方程在尖点处展开，得到标准形式:3X3 px q 0(5-23)其中：X (u Ug)/Ugp 0,得到刚度比：K 1 (5-24)上式即为断层冲击的发生条件。用如图5.10所示的试验装置来研究断层错动冲击。首先施加一定的正压力及 剪切力，断层系统处于稳定平衡状态。然后减小正压力，观测断层冲击的发生情 况，模拟开采的影响。试验证明了煤层开采后，会引发断层冲击。如图 5.1

16、1、图5.12所示，当正压力较小时，只产生 稳定的滑动，只有正压力达到一定值 时，才开始产生突然的错动，即只有 当采深较大且上覆岩层产生的正压 力足够大时，才发生断层冲击；浅部开采只会引起断层的稳定滑动，不会图5.10断层冲击模拟试验装置0.005 I 01 5 2C 2,S3 0根据道清煤矿 析，并通过对多次 研、分析，区域动 特征主要表现在以1)突发性：发 的宏观征兆。地质情况分 动力现象的调 力现象的显现 下几个方面：生前没有明显引起突发式断层错动冲击。坤吉滑动徨移/ mm,甘5-12,汨心方潢跳寸系斗他断层冲图 西1不同正压力的断层错动冲击2）瞬时性：动力现象过程短暂，持续时间几秒到几

17、十秒。3）动态破坏性：支架损坏，裸露煤壁片帮。4）发生频繁性：从动力现象编录中可以看出，局部区域煤炮发生较频繁，最短5-10min就发生一次。5）区域性：煤层厚度变化带、煤层倾角变化带和构造带是发生动力现象多发带。以上几点真实的反映了动力现象的特点，也反映了动力现象的本质：突发性说明动力现象发生前煤岩体是一种变形能的积聚过程，是一个静态过程；瞬时性及动态破坏性说明动力现象的发生是一种剧烈的动态过程，前提是有大量的能量突然释放。因此，动力现象是煤岩的一种动、静两属的破坏过程，这就是动力现象机理复杂的根本原因。根据道清煤矿地质条件、煤岩体的受力状况及破坏特征，认为道清煤矿动力现象主要为煤体压缩型。5.4 本 章 小 结本章对动力现象发生的机理进行了分析研究，以便于更好的研究道清煤矿的动力现象，掌握其发生的规律，为监测和预测动力现象以及采取有效的措施奠定基础。根据道清煤矿地质情况分析，并通过对多次动力现象的调研、分析， 区域动力现象的显现特征主要表现在以下几个方面：1）突发性：发生前没有明显的宏观征兆。2）瞬时性：