色连煤矿5.0Mt-a新井设计-冲沟下浅埋煤层开采矿压显现规律

第页冲沟下浅埋煤层开采矿压显现规律摘要:为分析在冲沟坡体下浅埋煤层开采时工作面的矿压特征,本文基于色连矿井冲沟发育地层矿区浅埋煤层的地质条件,采用实地观测的方法,研究了冲沟下浅埋煤层开采的矿压显现基本特征。研究表明:来压具有明显的动载现象；顶板来压的空间分布与来压过程表现出明显的“板”破断形态，初次来压和周期来压步距分别平均为35m和10m；快速推进时，工作面压力明显减缓，工作面切顶现象也明显减弱；周期来压期间顶板破碎严重，中部煤壁有片帮及漏顶现象，因此在周期来压时要采取必要措施来管理好顶板。关键词:浅埋煤层;冲沟;“板”破断形态;周期来压Abstract:InordertoAnalysethecharacteristicsofrockpressureofshallowseammininginthegullyslopeface,basedonthegeologicalconditionsofSelianmineofgullydevelopmentstratummineshallowcoalseam,withfieldobservation,andinvestigatethebasiccharacteristicsofshallowseammininginthegully.Studieshaveshownthat:Pressurehasasignificantdynamicload;Pressureofroofofspacedistributionandtheprocessperformanceofpressureshowobvious"board"breakoffform,thefirststepspaceofpressureandcycle,respectively,theaveragearethe35mand10m;Whenrapidadvancing,theworksurfacepressurehassloweddownsignificantly,andthefacecuttopphenomenonalsosignificantlyreduced;cyclepressureshowingduringtheroofseriouslydamaged,centralcoalwallhasphenomenonofspallingandroofleakage,soitisimportanttotakethenecessarymeasurestomanagetheroof.Keywords:Shallowcoalseam;Gully;"Board"breakoffform;Cyclepressure引言神府—东胜煤田地处内蒙古南部和陕西北部，已探明储量达2236亿吨，约占全国已探明储量的1/3，属世界八大煤田之一，且因可采煤层多、煤层厚、煤质优良而为世人瞩目，不仅在我国能源发展战略中具有重要地位，而且已成为西部大开发乃至全国经济发展的能源基地。然而与西南煤田相比，西北煤田地表植被稀疏、水土保持能力较弱、地表水蚀严重、冲沟纵横，坡体产状变化大，地形支离破碎，相对高差有100余米。色连矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政区划隶属东胜区罕台庙镇管辖。具体位置在东胜区政府所在地的西北方向约13km，东南距东胜区最近6.5km。地表属于冲沟发育地区，即受加速水流的侵蚀而切入地表的沟。由於人类活动、火灾或气候变化使保护土壤的天然植被遭到了破坏，或是由於罕见的暴雨带来了山洪，都可能造成侵蚀。冲沟侵蚀与局部的强大雷暴雨有密切关系，而与大面积的冬季降水无关。对软弱岩石，冲沟因向源侵蚀而迅速增长，如果不采取防范措施，就会使大量可耕地遭到破坏。浅埋煤层的开采矿压显现规律有关专家及学着已进行了深入的研究，也已总结出了一套完整的浅埋煤层矿压显现规律理论系统，而对于冲沟下浅埋的开采，矿压显现规律是否和单一的浅埋煤层开采矿压显现规律一样呢？为了解决这一问题，我们利用实地现场观测的方法，同时结合数学力学理论分析的方法，研究了色连矿井冲沟下浅埋煤层开采矿压显现的基本规律。国内外研究现状2.1研究成果近几年来，对浅埋煤层岩层移动特征与矿压显现规律、保水开采、突水溃沙防治，尤其是对厚风积沙薄基岩的沙基型浅埋煤层的开采做了大量的理论研究和工程实践，有效地指导了矿山的安全与高效生产，也为地面生态环境建设提供了理论基础和技术支持。自上世纪90年代初，西安科技大学石平五、侯忠杰和黄庆享等教授以及辽宁工程技术大学孙宝铮教授和马云东教授等开始对我国西部浅埋煤层开采问题进行研究，从基岩破断规律、顶板破断机理及其控制、基岩及上覆岩层结构和来压规律、顶板支护、采煤方法等不同角度提出了一系列开采理论。中国矿业大学张东升教授带领的课题组在对浅埋煤层赋存特征进行分类的基础上，研究了浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征，证明了其可控性，总结出了一套保水开采技术，并根据浅埋煤层基岩厚度及其上覆松散含水层富水性，提出了保水开采基本条件分类。然而，有关浅埋煤层冲沟下开采的理论还尚属空白。冲沟坡体受工作面开采影响会形成怎样的结构？不同类型的冲沟坡体对井下开采有何影响？影响程度如何？如何采取有效的控制措施以保证工作面的安全高效生产？尽管已有诸多关于煤层上覆岩层活动规律的科学假说，如已被广泛接受的砌体梁理论与传递岩梁理论等等。但都是基于一般赋存条件，均未涉及地表起伏对覆岩活动规律的影响。随着西部煤田的大规模开采，在冲沟下开采的情况将越来越多，采用传统的矿压理论已经难以适应冲沟发育矿区开采的需要，亟需相应的理论指导来确保矿井的安全高效生产。2.2存在的不足纵观国内外已有研究成果，主要体现在以下两个方面：一是浅埋煤层开采的顶板控制；二是坡体滑动规律的分析及地表治理技术及相关岩土工程的监测监控。从浅埋煤层开采顶板控制方面而言，忽略了地表起伏对矿压显现的影响，研究成果在冲沟发育矿区的适用性有待于进一步探讨；就采动坡体稳定性控制而言，研究的主要目的是从地质灾害防治角度，把采动作为诱因之一来分析，从而提供新的治理对策和控制技术，研究的切入点和落脚点是对地表坡体的保护，强调的是采动的不利影响。但反方向的研究，即地表坡体的产状对井下开采的影响，还没有相关研究成果。在研究方法方面，尽管已经引入非线性有限元、弹塑性力学、断裂力学、流变力学及Sarma计算方法，采用物理模拟实验和数值分析相结合的方法，并且已开始从二维固相向三维固—液耦合方向转变。但由于地质环境条件及采动岩体结构的复杂性，使得目前的研究还存在较大的局限性，尤其是浅埋煤层采动坡体的离散元分析方面的报道还较为少见，缺乏针对性的研究。此外，不同条件浅埋煤层的矿压实测成果还不够丰富，特别是冲沟发育矿区浅埋煤层矿压显现规律的实测成果几乎没有报道。浅埋煤层采动坡体活动是一个极其复杂的问题，涉及采矿学、地质学、测量学、工程力学、边坡稳定性控制等多个学科。它不仅和矿井地质条件和采矿方法有关，而且也和坡体的地质地貌条件，上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态，水文地质条件等密切相关。浅埋煤层冲沟发育矿区地表起伏大，产状各异，由采动引起的坡体活动方式也不尽相同。已有研究主要集中在采动坡体的滑动（蠕滑）机理、稳定性分析及简单的附加应力估算等方面，在滑坡机理分析上也只是套用自然滑坡的分析方法，坡体岩块转动变形机理及其形成结构对井下开采影响的反作用则没有进行过研究，还缺乏一套完整的分类体系及控制措施。2.3研究内容与方法2.3.1研究对象特点冲沟，即受加速水流的侵蚀而切入地表的沟。当工作面向着冲沟推进时，称为向沟开采；反之，即工作面背离冲沟推进时，称为背沟开采。本文研究的主要对象为冲沟发育矿区浅埋煤层冲沟坡体，它具有如下特点：（1）坡体产状变化大；（2）部分采动坡体处于三端自由无约束状态；（3）受采动影响，不同类型的冲沟坡体将会出现不同的活动方式。本文重点研究向沟开采时冲沟坡体不同结构形式的产生条件、影响因素及其对井下矿压影响的机理。2.3.2研究方法与主要研究内容色连矿区冲沟坡体的活动方式及其控制是一个涉及多学科的研究，本文从顶板结构控制的角度出发，对色连矿井工作面开采现场进行实际现场数据观测，通过数据分析以及数学力学理论推导，来研究色连冲沟下浅埋煤层的开采矿压显现基本规律。地质条件与煤层地质特征3.1矿区煤层地质特征3.1.1地层特征色连矿井位于鄂尔多斯高原东北部，地形总体趋势是呈北高南低之势，海拔标高一般在1340—1485m之间。最高点标高为1486.20m；最低点标高为1348.7m。井田内的一般相对高差80m左右。井田属高原侵蚀性丘陵地貌，大部分地区为低矮山丘，基岩(K1zh)大面积出露，第四系黄土零星分布于山丘之顶，第四系冲洪积分布于沟谷之内，植被稀疏，为半荒漠地区。3.1.2煤层特征区内煤层倾角小，赋存条件较为简单，从北向南成煤时期逐渐缩短，埋深逐渐减小。矿区北部矿井主要开采石炭系太原组和二迭系下统山西组煤层，南部矿井主要开采侏罗系煤层，主要开采方法为长壁综采。通过对冲沟发育矿区浅埋煤层地质资料的初步整理分析，结合矿井开采过程中的揭露情况及初步的开采实践总结，认为对井下开采有影响的冲沟坡体下浅埋2-2上煤层的赋存条件有如下特征：煤层厚度4~5m左右，平均约4.5m，倾角平均2°，赋存条件简单；基岩厚度较小，一般在170m；基岩中只赋存一层对覆岩运动起控制作用的厚硬岩层，且位于断裂带下部或垮落带内；冲沟切割深度较大；3.1.3浅埋下煤层开采矿压显现特征对于浅埋煤层，根据实测，浅埋煤层可分为2种类型：(1)基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层。可以概括为：埋藏浅，基载比小，老顶为单一关键层结构的煤层。(2)基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。总体上，浅埋煤层工作面的主要矿压特征是老顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结构，来压存在明显动载现象，支架处于给定失稳载荷状态。浅埋煤层可以采用以下指标判定：埋深不超过150m，基载比Jz小于1，顶板体现单一主关键层结构特征，来压具有明显动载现象。顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿压显现特征介于浅埋煤层采场和普通采场之间。基岩与载荷层厚度之比Jz(简称基载比)，对来压显现有重要影响。当Jz＜0.8时，工作面都出现顶板沿煤壁台阶下沉，而当Jz＞0.8时，则没有出现顶板台阶下沉。其开采矿压显现基本特征如下：（1）浅埋煤层工作面矿压显现的突出特点是顶板基岩沿全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉现象,来压时间短,支架动载明显。（2）浅埋煤层工作面顶板为典型的单一关键层类型,载荷层厚度较大,老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。顶板结构沿煤壁失稳形成工作面台阶下沉,顶板沿架后失稳形成新的结构形态。（3）工作面来压分布为中部大两端小,根据顶板来压步距与老顶厚度的关系,顶板破断呈“厚梁”或“厚板”结构形态。（4）工作面支护状况对顶板来压有明显影响。在一定范围内合理提高支架工作阻力可以控制顶板台阶下沉。（5）基岩与载荷层厚度之比Jz(简称基载比)对来压强度和显现特征有重要影响。如表1所示,当Jz<0.8时,工作面都出现了顶板沿煤壁台阶下沉,而当Jz>0.8时则没有出现顶板台阶下沉。（6）浅埋煤层顶板厚松散载荷层的载荷传递有“迟滞”现象,来压期间载荷层的“载荷传递”效应对认识顶板结构稳定性和支架围岩关系有重要意义。（7）老顶来压步距与回采速度有关。推进速度愈快,老顶初次来压步距愈大,其步距基本在20~30m之间。老顶周期来压步距平均值基本在10.2~12m之间。（8）顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉与采高有关。一般采高较高下沉量较大。（9）保持较高的初撑力和工作阻力能够维持顶板稳定,控制顶板下沉。（10）浅埋煤层工作面顶板为典型的单一关键层类型,载荷层厚度较大,老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。顶板结构沿煤壁失稳形成工作面台阶下沉,顶板沿架后失稳形成新的结构形态。工作面来压分布为中部大两端小,根据顶板来压步距与老顶厚度的关系,顶板破断呈“厚梁”或“厚板”结构形态。3.2色连矿井冲沟坡体介绍3.2.1沙土质型坡体对于色连矿井地表的冲沟坡体，借助地质资料，得知色连矿井冲沟坡体上部为第四系风积沙，呈松散状态，强度较低，易于流动。下部为沙质黄土层。多分布于沟谷两侧，由于受风蚀、水蚀作用的影响，强度降低，一般坡高30～60m，最高达100m左右。自然坡度20～70°不等，在重力作用下易形成剥落、滑塌。滑落体成块状及粉末状，扇形堆积，扇形体坡脚不明显，滑落面近似直立。冲沟下浅埋煤层矿压观测4.1工作面概况根据临近矿井的开采经验，色连矿井冲沟下浅埋煤层的开采工作面布置如下：工作面长度280m，推进度2250m，工作面沿倾向推进，2-2上煤层煤厚4~5m，平均4.5m，煤层厚度稳定，倾角平均20，工作面所在2-2上煤层平均埋深170m。本工作面采用倾向长壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。4.2矿压观测内容4.2.1矿压观测内容支架阻力观测、支架活柱缩量观测、顺槽顶板离层观测、顺槽超前支护范围内单体液压支柱阻力观测以及支护质量动态监测。4.2.2矿压观测方法支架阻力观测（1）人工观测：专人通过工作面支架立柱压力表统计各支架的初撑力、工作阻力，准确掌握来压时间、来压范围、压力值大小、压力持续时间。（2）用KBJ-60Ⅲ型矿用数字压力计，由专人定期采集数据，进行分析。（3）采用天地科技股份有限公司生产的CDW-60型支架压力记录仪,该仪器可自动存储记录数据,其后配套处理软件可对矿压数据进行系统分析。沿工作面布置方向共分为3个测站,分别位于工作面的上部(34、35、36号支架)、中部(67、68、69号支架)和下部(92、93、94号支架)，观测仪器布置方式如图1。图1观测仪器布置方式图支架活柱缩量观测用标记法在工作面上、中、下部布置3条观测线，在移架前后测量活柱下缩量，根据循环的次数，可算出循环下缩量和下缩速度。顺槽顶板离层观测运顺、回顺每200m安设一台顶板离层仪，由专人进行观测。4.3矿压观测数据4.3.1数字压力计表1工作面矿压观测数据工作面顶板组成/m来压步距/m支架阻力（kN/架）台阶下沉/m基岩层载荷层Jz初期周期初撑力工作阻力初次周期212011777.50.22351071409323很小很小注：基载比=基岩厚度/载荷层厚度表221201工作面周期来压特征表来压次序来压步距/m经历时间/d距切眼距离/m支架平均载荷/bar支架最大载荷/bar第一次周期来压10345344.6480第二次周期来压8.5153.5369.14498第三次周期来压15268.5358.5468第四次周期来压10．5279346.8465第五次周期来压15194353.64924.3.2压力记录仪图2、图3、图4为工作面35#、68#、93#支架的循环末阻力与工作面推进距离的变化曲线。观测期间基本顶周期来压步距统计如表3。图2工作面上部35#支架循环末阻力与推进距离的关系图3工作面上部68#支架循环末阻力与推进距离的关系图4工作面上部93#支架循环末阻力与推进距离的关系表3各支架周期来压步距工作面位置上部中部下部支架号35#68#93#110.813.213.221118.6183158.417.649.612.415514.414.412617.412.616.271816.218814.8159.691513.214.95101414.45/平均/m1413.8514.95总平均/m14.3表4基本顶历次来压期间动载系数统计表支架号35#36#67#68#69#92#93#94#平均值周期来压11.381.231.271.281.401.321.291.261.321.301.151.341.331.241.2331.251.341.271.331.381.301.131.431.331.301.281.2551.321.331.351.421.661.321.251.391.3861.381.401.311.441.251.3271.371.371.341.361.421.241.261.381.3481.461.371.341.351.381.321.331.251.3541.291.30/1.151.271.24101.301.381.371.32////1.34平均值1.31.371.311.281.28总平均1.3工作面矿压显现理论分析5.1工作面向沟开采采动特征经观测，工作面上覆岩层移动特征和常规浅埋煤层开采覆岩移动特征基本相同，即离层、垮落及压实三个阶段。首先，由于冲沟坡体临空面的存在，使得覆岩在坡体一侧的运动约束程度减小，特别是水平方向的运动约束减小，因此，在坡体段上部产生了较为明显的拉伸裂缝，并随开采空间的增大而与覆岩纵向裂隙贯通，这就造成失去约束的覆岩较易向采空区倾倒。另一方面，由于受采动影响，覆岩弱面的抗剪强度将逐渐减小，由于冲沟坡体临空，仅有层面间的摩擦力抵抗附加应力的水平分力，当附加应力的水平分力大于层面间的抗剪力时，坡体岩层将产生向沟方向的水平滑移以释放附加应力的水平分力。此外，随着坡体段煤层埋深的变化，覆岩垮落角也在不断增大，当工作面推进到冲沟底部时，覆岩有整体切落的趋势。同时，覆岩移动影响的范围也在不断增加。通过对观测数据的分析，可以发现由于在附加应力以及坡体段岩层回转的双重作用下，垂直应力变化规律与常规条件下相比有较大不同，垂直应力变化曲线呈现“多峰”特征，除超前支承压力外，还有两个明显的峰值，分析认为是由于地表拉伸裂缝的延伸使坡体段岩层发生倾倒而引起的附加应力的作用，特别是当拉伸裂缝与下覆岩层纵向裂隙贯通后，甚至出现了超过超前支承压力的峰值，并且稳定后的压力依然高于原岩应力。而对于沟底处，其所受的附加应力与常规条件下相比，高支承压力段相对较长，其在稳定后的应力值也高于原岩应力。坡体段的垂直位移变化过程与常规条件下有一定的区别。越靠近冲沟沟底的最大垂直位移量比远离冲沟沟底的最大垂直位移量小，即越靠近沟底，垂直位移量相对越小。此外，工作面临近沟底时，受采动坡体整体滑移影响，测点垂直位移有一定的突跳，越靠近沟底，这种现象越明显。5.2工作面背沟开采采动特征通过对观测数据的分析，亦可得出：当工作面推过沟坡段后，覆岩移动规律则又恢复了常态。随着覆岩的弯曲下沉，坡体段多边块的逆倾裂缝逐渐开始闭合。如果覆岩与已稳定倾倒块层面间咬合紧密时，将阻止逆倾裂缝的发育，同时，使裂缝以上岩层不再发生倾倒。背沟推进时各点垂直位移变化曲线与向沟推进时大致相同，靠近沟底的垂直位移量较远离沟底测的垂直位移量要小。但背沟推进时，由于采动坡体多边块结构的周期性倾倒，垂直位移发生突跳的位置不同。5.3支架初撑力分析支架初撑力的大小,对控制顶板下沉和管理顶板有直接关系,因此必须保证足够初撑力。根据观测数据分析支架初撑力的实际大小对于评价支架的支护性能具有重要作用。利用观测仪器的后配套处理软件将统计时间段内支架初撑力的平均值进行统计分析。工作面观测支架的平均初撑力为4429kN,约为支架额定初撑力的88%,表明支架实际初撑力基本可以满足设计要求。支架时间加权平均工作阻力是分析支架工作阻力富余量的重要指标,因此,将工作面支架加权平均阻力分析以“日”为基本单位进行统计。矿压显现规律为非来压期间支架压力小,来压期间支架压力大,周期来压动载系数大,工作面来压期间矿压显现明显。支架的平均初撑力为4429kN,约为支架额定初撑力的88%,表明支架实际初撑力基本可以满足设计要求。支架日加权平均工作阻力的平均值4701kN,占额定工作阻力的69%。基本顶周期来压动载系数最小1.1,最大1.46,平均1.3;基本顶周期来压期间工作面上部、中部、下部支架循环末阻力平均值分别占额定工作。5.4巷道观测分析回风巷内无论是顶底板移近量还是两帮移近量,其大小并不与测站观测的距离长短成正比,在测站1的观测范围内发生了较剧烈的顶板运动,而此时测站3因距离工作面煤壁较远而几乎未受影响,所以观测距离段最小的测站1的巷道围岩移近量明显大于测站2和测站3。运输巷3个测站的顶底板移近速度和两帮移近速度随工作面推进距离的变化规律表明,无论测站距离工作面煤壁远与近,运输巷表面围岩位移速度变化较小,大多维持在3.0mm/h以内。巷道在距工作面前方40m开始收敛,5~15m及小于5m的2个阶段顶底板移近速度较快,在其他范围内巷道高度变化则较为平缓,巷道累计移近量小。图5巷道顶底板及两帮移近速度与距工作面煤壁距离的关系锚杆对围岩的总体作用规律为长时间在初锚力位置附近徘徊,临近工作面煤壁时托锚力急速上升达到峰值,均存在典型的上升拐点,在距离工作面煤壁平均13m以远,该数据对巷道超前支护参数的确定具有重要价值。整个观测期间,锚杆托锚力绝大部分在12kN以下,主要集中在3kN附近,并且锚杆的托锚力波动不大,其中监测到的最大值是在工作面来压时,为152kN。巷道矿压观测结果显示,工作面采空区上方岩层重量将向采空区周围新的支承点转移,从而在采空区四周形成支承压力带,使得前方支承压力远离工作面煤壁,综合锚杆和超前支护压力的分析,支压力峰值在煤壁前方3~8m。由此可见,该工作面超前支护压力影响范围较小,这主要是由于煤层硬度较大,覆岩层整体性较好。支承压力值不大,故该矿现有的超前支护距离为20m是可行的,巷道矿压显现比较缓和,现有巷道维护较好[7]。超前支护压力分布如图6所示。图6超前支护压力分布5.5砌体梁理论与短砌体梁结构对于采场上覆岩层的运动规律,钱鸣高院士提出了砌体梁理论,该理论已为国内外学者所承认,并得到广泛应用.在砌体梁理论中,岩块形成砌体梁结构必须具有一定的水平推力,其推力为:(5-1)式中,li0为第i层老顶悬露岩块长度;Qi0为第i层老顶悬露岩块质量;hi为第i层老顶岩层厚度;si0为第i层老顶岩块下沉量。于是,推出砌体梁结构不发生滑落失稳而保持平衡时应满足：（5-2）式中,为老顶岩块间的摩擦角;为岩块破断面与垂直面的夹角。根据式(5-1),(5-2),钱鸣高院士提出必须具备2个条件才能保持砌体梁结构的平衡:（1）老顶“岩块”的长度起码大于层厚的2倍,即li0>2hi,也即岩块的块度i=hi/li0<0.5；（2）老顶分层厚度应大于岩块下沉量,因为当si0=hi时,砌体梁结构就无法形成。上述关于结构平衡条件的结论无疑是正确的.对于第2个条件,尽管在si0=hi时不存在砌体梁结构,但因为si0的大小与直接顶厚度、开采高度、采空区处理方法(如垮落方法和充填方法)等有关,工作面老顶是否存在砌体梁结构要取决于影响si0的多个因素.对于第1个条件,工作面老顶是否存在砌体梁结构仅取决于老顶的几何尺寸,即岩块长度起码应为层厚的2倍以上,也就是说,砌体梁结构是“长”岩块结构;或者说,当岩块的长度小于层厚的2倍时,由于不满足砌体梁结构平衡的前提条件——几何尺寸条件,因而就不存在砌体梁结构。5.6老顶砌体梁结构模型根据现场观测分析以及资料参考，这些工作面形成的铰接顶梁为“短砌体梁”结构，其模型如图1。图7“短”砌体梁结构模型图中很小，岩块在采空区的下沉量W1与直接顶厚、采高m及岩石破胀系数有如下关系：（5-3）根据岩块回转的几何接触关系，岩块端角挤压接触面高度近似为：（5-4）鉴于岩块之间是塑性铰接关系，图7中水平力T的作用点可取0.5a处。5.7“短砌体梁”结构关键块的受力由于老顶周期来压的受力条件基本一致，可认为L1=L2=L3。在图中取,并近似认为R2=P2,可得：（5-5）同理对Ⅱ岩块取：、可得：（5-6）（5-7）由几何关系，，。根据相关资料，，令老岩块的块度，由式（5-5）、（5-6）、（5-7）可求出：（5-8）（5-9）水平力T随块度t的增大而减小，随回转角的增大而减小。当t=1~1.4时，剪力QA=(0.93~1)P1,工作面上方岩块的剪切力几乎全部有煤壁之上的前支点承载。本工作面的周期来压步距在7~15m，老顶厚12~30m，基岩块度大部分在1.0~1.4之间，故老顶在煤壁上方的剪切力由煤壁之上的前支点承担。结论通过理论分析和现场实测，以及对有关资料的分析，得出了冲沟下浅埋煤层开采矿压显现的基本规律和显现特点：来压具有明显地动载现象。顶板基岩破断沿全厚切落，剪切裂隙成为导水通道，造成工作面台阶明显下沉。由于埋藏浅，冲沟下的载荷层对顶板关键层运动的约束比普通顶板条件小，工作面矿山压力情况与上覆岩层即地表的冲沟有很大的关系。顶板来压的空间分布与来压过程表现出明显的“板”破断形态，初次来压和周期来压步距分别平均为35m和10m。快速推进时，工作面压力明显减缓，工作面切顶现象也相应减弱。周期来压期间顶板破碎严重，中部煤壁有片帮及漏顶现象，尽管对回采影响不大，但影响煤质，因此在周期来压时要采取必要措施管理好顶板。参考文献[1]王树海.浅埋深薄基岩较薄煤层开采矿压显现规律研究[J].西部探矿工程,2009（10）.147-149.[2]王旭锋.冲沟发育矿区浅埋煤层采动坡体活动机理及其控制研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.[3]黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.[4]桂祥友,马云东.浅埋工作面矿山压力显现规律模拟研究[J].中国矿业,2004,13(6):69-71.[5]张东升,马立强.特厚坚硬岩层组下保水采煤技术[J].采矿与安全工程学报,2006,23(1):62-65.[6]刘玉德.沙基型浅埋煤层保水开采技术及适用条件分类[D].徐州:中国矿业大学,2008.[7]戴华阳,翟厥成,胡友键.山区地表移动的相似模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):501-504.[8]钟新春.山体浅埋煤层采场覆岩活动规律研究[D].徐州:中国矿业大学,2007.[9]熊东红,范建容,卢晓宁.冲沟侵蚀研究进展[J].世界科技研究与发展,2007,29(6):29-35.[10]李鸿昌.矿山压力的相似模拟实验[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.[11]宋振骐.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.[12]张志文.采场上覆岩层平衡条件的模型研究[J].中国矿业学院学报,1983(4):41-51.[13]王福.浅埋煤层长壁开采矿压显现规律[J].内蒙古煤炭经济,2008(1):38-39.[14]王福.浅埋煤层长壁开采矿压显现规律[J].内蒙古煤炭经济,2008(1):38-39.[15]石平五,侯忠杰.神府浅埋煤层顶板破断运动规律[J].西安矿业学院学报,1996,16(3):204-207.外文原文：DeterminationoftheoptimalthresholdandlengthmeasurementsforRQDcalculationsWenZhang,QingWang,Jian-pingChenn,ChunTan,Xiao-qingYuan,Fu-junZhouCollegeofConstructionEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaIntroductionTherockqualitydesignation(RQD)isdefinedasthepercentageofascanlineconsistingofspacingvaluesgreaterthanorequalto4in.(100mm)[1].RQDiswidelyusedaroundtheworldasanimportantparameterforrockmassqualityclassification.Thevalueof4in.(100mm)hasnotbeenprovenasthemostreasonablethreshold.Forlayeredrockmasses,therocksurfacespacingsarelargerthan100mm,butusuallynotlargerthan200mm.TheRQDisthen100%,whichisincompatiblewiththeactualrockmassquality.ThegeneralizedRQD,wherethethresholdisanarbitrarypositivevalue[2],isintroducedinactualengineeringpracticestoobtainabetterreflectionoftheinhomogeneousnatureofrockmasses.Toidentifytheoptimalthresholdvalue,Harrison[3]presentedequationsderivedbyanalyzingfracturefrequencieswithdifferentdistributions,whichcouldexpandtherangeofRQDvalues.Wangetal.[4]havedeterminedtheRQDvalueintheextensiondirectionofatunnelbycomputermodelinginthree-dimensional(3-D)space.TheyhaveinvestigatedthevariationsinRQDvalueswiththechangesinthresholds.Theactualdirectionofascanline(corerun)isvertical.Giventhatarockmassisanisotropic,theRQDvalueofasingleverticalscanlinecouldnotreflecttheoveralldegreeoftherockmassquality.PriestandHudson[2]havestudiedRQDandproposedarelationshipbetweenthefracturefrequencyandRQDontheassumptionthattheoverallfracturespacingfollowsanegativeexponentialdistribution.SenandKaiz[5,6]havestudiedtheRQDalongascanlinewithanyspecificorientation,andestablishedarelationshipbetweentheRQDvalueandfracturefrequencyalongthechosenorientation.Chen[7]hasstudiedRQDvaluesalongdifferentscanlinesproducedautomaticallybyacomputerprograminalldirectionsintwo-dimensional(2-D)space.AnRQDissometimesexpensivetoobtain(e.g.,inextremelyhardrockmasses).Therefore,therelationshipsoftheRQDwithrockmassparameters,suchasfracturefrequency,deformationmodulus,volumetricjointcount,andpermeabilitycoefficient,havebeenestablished[8–13].Snow[12]haspointedoutthattheRQDandfracturefrequencydecreaseswithincreasingdepth.Jiangetal.[13]haveestablishedtherelationshipsoftheRQDwiththevolumetricjointcountandpermeabilitycoefficientinagraniteregion.TheRQDshouldbeconsideredasavariablevaluebecauseitisafunctionofdiscontinuitynumbersandspacings,whicharestochastic[14–16].Inthecurrentstudy,3-Dfracturenetworknumericalmodelingisappliedandscanlinesindifferentdirectionsaresetin3-Dspacetoinvestigatethehomogenousfeaturesofarockmass.RQDvaluesarecalculatedbyaself-writtenprogram,andthestatisticalfeaturesoftheseRQDvaluesareexamined.GiventhatthethresholdandscanlinelengthareessentialforRQDcalculation,theoptimumthresholdandmini-mumappropriatescanlinelengtharestudied.Generalengineeringsituationanddatabase2.1CollectionofstructuraldataThestudiedrockmassislocatedinthedamareaoftheBaihetanhydropowerstationinsouthwestChina.Theconstructionofthestationprojectiscurrentlyatthefeasibilitystudystage.Adouble-curvaturearchdamwillbeusedfortheBaihetanstation.Thedamisapproximately277mhigh,withawatersurfaceelevationof590m,damcrestof825m,andstoragewaterlevelof820m.Themaximumgenerationcapacityofthestationis59.55billionkWh.Thedamareaisinthemiddleofamountaincanyongeomorphology,andthevalleyinthedamareahasanasymmetricV-shape.Cliffsarewidelydistributedunderneathatanelevationof900–1100montheleftbankand1000–1400montherightbank.Thetopoftheelevationispredominatedbymesasorgentleslopes.TherockmassinthedamareaismainlycomposedofbasaltfromthePermianperiod(P2b),andtheoverlyingrockmassissandyshalefromtheTriassicperiod(T1f).Theriverbedandmesaarecomposedofalluvium,diluvium,andeluviumdepositsfromtheQuaternaryperiod.Giventhatthedamwillbebuiltuponthebasaltarea,thecharacteristicfeaturesofbasaltplayanimportantroleintheengineeringstabilityofthedam.Fig1.Poleandstrikerosediagramsofthefracturesets(thestrikesatisfiestherighthandrule).(a)Set1,(b)set2,(c)set3and(d)set4.Whereastheweatheringdegreeanddepthgraduallydecreasefromhighertolowerelevations.TheoccurrenceoftherockformationisatN301–501E,SE151–251.Theprotogeniccolumnarjointsofthebasaltatshallowdepthsareinhomogeneouslydeveloped.Thecolumnarjointscouldbedividedintotwocategories.Onecategoryofthecolumnarjointhasacylindricalsidelengthof5cm–20cm,withanaveragevalueof13cm.Theotherhasacylindricalsidelengthof20cm–50cm,withanaveragevalueof29cm.Micro-fracturesarealsodevelopedinthebasaltcolumniations.Therearesteepangularfractures(701–851)approximatelyparalleltothecylindersandgentlefractures(101–301)crosscuttingthecylinders.Thetracelengthsofthesteepangularfracturesare0.3m–1m,andthetracelengthsofthegentleangularfracturesareshorterthan0.2m.Protogenicjointsarealwayssmall;thus,studiesonthemarenotemphasized.Inner-bedshearzonesparalleltothebeddingsurfaceandconsequentfracturesgenerallydevelopinthebasalt,withanaveragespacingof3m–4mandanextendedlength.Structurefractureswithanaveragespacingof1m–2maredevelopedintherockmass.Thenumericalmodelingdescribedinthispaperfocusesonthesestructurefractures.ThestudiedrockmassislocatedontheleftbankoftheJinshaRiveratanelevationof830m.Datawerecollectedfromanexplorationtunnelstrikingnorth-east/south-west.Thelength,width,andheightoftheexplorationtunnelare100,2,and2m,respectively.Thestructurefractureslongerthan0.5mwerecollectedfromtherightlateralsurfaceofthetunnel.Inthefield,thesamplingwindowmethodwasappliedtocollectthelocation,occurrence,tracelength,fillingandshapeofeachfracture.Atotalof111fractureswerecollected.Thefracturesetsweredeter-minedusingthemethodproposedbyChen[17](Fig.1)aftertheKulatilakeandWucorrection[18].TheoccurrencesofthefourfracturesetsaresummarizedinTable1.TheFisherconstantwascalculatedtoreflectthedegreeofclustering(preferredorientation)withineachfractureset[19,20].Thesamplingwindowmethodwasusedtocollectthefractureparametersinthefield.Inpractice,thesamplingwindowisoffinitesizeandonlyaportionoffracturetraceswithinthewindowcanbemeasured.Therelationamongthefracturesofthesamplingwindowiscomposedofthefollowing:(a)onlyoneendofafracturecanbemeasured,(b)bothendsofafracturecanbemeasured,and(c)noendofafracturecanbemeasured.Therefore,themeasuredtracelengthsareusuallybiased.ThemethodproposedbyKulatilakeandWu[21]wasappliedtocorrectthebiasofthefracturetraces.ThefourfracturesetsallshownGammadistribution.ThecorrectedtracelengthsarelistedinTable1.Table1Modelingparametersofthefielddata.ThecorrectedtracelengthswerederivedandthediameterofeachfracturesetwasconfirmedaccordingtothemethodproposedbyKulatilakeandWu[22].ThediameterofeachfracturesetshowedGammadistribution,whichisthesameasthatofthetracelength(Table1).2.2FracturenetworkmodelingInthecurrentpaper,theRQDwascalculatedbasedonthe3-Dfracturenetwork.Therefore,theaccuracyofthefracturenetworkplaysanimportantroleinthiscalculation.Basaltsareveryuniquebecausetheydevelopcolumnarjointingandflowtopfractures.However,columnarjointingandflowtopfracturesareveryscarceinthemodelingzone.Consequently,onlythestochasticfractureswereconsideredinthe3-Dfracturenetworkmodeling,whichwasthesameasotherrocktypes.Accordingtotheengineeringproject,thezone,whichplaysanimportantroleinthedamstudy,wasappliedtogeneratethe3-DfracturenetworkandcalculatetheRQDvalues.Thesizeofthemodelingzonewas100m(xdirection)x40m(ydirection)x50m(zdirection).TheBaechermodelwasused[25],anda3-DfracturenetworknumericalmodelingbasedonaprogramwrittenbyChen[17]wasadopted.Themodelingprocedureswereasfollows:(i)demarcationofpreferentialfracturesets[26],(ii)correctionofobservedtracelengthandgoodnessfittingoftheprobabilitydensityfunction[18],(iii)diametersimulationofthediscontinuityandgoodnessfittingoftheprobabilitydensityfunction[21],(iv)determinationofthefracturesizebasedonthecorrectedtracelength[22],(v)simulationofthediscontinuityspacedensity[23,24,27],and(vi)3-DMonteCarloSimulationofdiscontinuities[26].The3-Dfracturenetworkwasobtainedbytheaforementionedprocedures,andthediscontinuitieswereexpressednumerically(Table2).Everydiscontinuitywasrepresentedbyasetofparameters,includingdiskcentercoordinates(x,y,z),diskdiameter,strike,anddipangle.The3-DfractureswerevisualizedusingOpenGLtodisplaytheresultsofthenetworksimulation(Fig.2).RQDcalculationTherockmassisinhomogeneous;thus,theRQDvaluesvaryindifferentcoreruns.Inpracticalengineeringprojects,theRQDisalwaysusedintherockmassassessment,suchasrockqualitydetermination.DifferentRQDvaluesmaygeneratedifferentrockmassqualities.Therefore,acharacteristicvalueisnecessaryforassessingtheentirestudiedrockmass.Inthispaper,thecharacteristicRQDvaluewasinvestigated.3.1.ThresholddeterminationTherockmassisrelativelyintact.Ifthethresholdissetto0.1m,allRQDvaluesshouldbecloseto100%.Ifthethresholdisextremelylarge,theRQDvaluesshouldapproach0%.Inthispaper,thegeneralizedRQDisintroduced.ThecalculationprincipleisshowninEq.(1).Whenthethresholdis2m,apreliminarycalculationcanshowthattheRQDvaluescouldbeequaltoabout50%,whichisthemidpointoftheRQDvalues(0%–100%).TheRQDvaluesarelargerforathresholdof1mandsmallerforathresholdof4m.Therefore,thethresholdsaresetto1,2,and4mtocalculatethedifferentRQDvalues,respectively.Fig2.3-Dfracturenetwork.(a)Set1,(b)set2,(c)set3and(d)set4.(3-1)wherenisthenumberofpiecesseparatedbydiscontinuities;xi(i¼1,2,y,n)isthelengthoftheithpiece;Xisthetotallengthofthecorerun;tisthegeneralizedthreshold,whichcouldbeequaltoanarbitrarypositivevalue;andsgn(x)isthesignfunction,whoseresultis1(whenx40)or-1(whenxo0),respectively.Therefore,ifxiissmallerthant,theithpieceisignoredorsettozero.Otherwise,ifxiisgreaterthant,theithpieceisconsideredforcalculatingRQD.3.2.ScanlinessettingSettingnumerouscorerunsinassigneddirectionsintherockmassisdifficultorevenimpossible.However,scanlines(insteadofthecorerun)caneasilybesetbasedonthe3-Dfracturenetworksimulationtocarryoutfurtherstudies.Forexample,consideringtheRQDcalculationinthexdirection,fivescanlinegroupsaresetandeachgroupcomprisesthreescanlines(Fig.3).Thescanlinegroupsaresetinthezdirection,andifthestartingpointofthegroupis5m(zcoordinate)andtheendpointis45m,thegroupsshouldbedividedintofiveparts(i.e.,5,15,25,35,and45m).Scanlinesaresetintheydirection,andifthestartingpointofthescanlineis5m(ycoordinate)andtheendpointis35m,thescanlinegroupsshouldbedividedintothreeparts(i.e.,5,20,and35m).Finally,5x3scanlinesaresetmanually.Therockmassisinhomogeneous;thus,thescanlinenumbershouldbesufficienttocalculatetheRQDoftherockmass.Forexample,consideringtheRQDcalculationinthexdirection,alargenumberofscanlinesaresetintherockmass.Thescanlinegroupspacingis2.5m(16scanlinegroupscanbeset),andthescanlinespacingineachscanlinegroupis2.5m(16scanlinescanbeset).TheaverageRQDvaluealongthe256(16x16)scanlinesis89.2%.Thespacingsofthescanlinegroupandthescanlineineachgroupcanbereducedbyhalf.Atotalof64(8x8)scanlinescanbeset,andtheRQDis89.4%,whichisbasicallythesameasthatof256scanlines.Therefore,256scanlinescanbethoughtasabletoobtaintherealRQDvalueoftherockmass.TheanalysisofRQDdistributionsbasedonagreatnumberofscanlinesisimpossible.Therefore,anoptimumscanlinenumberisnecessary.nxscanlinescanbestochasticallychosenamongthe256scanlines,andtheaverageRQDnvaluealongthenxscanlinescanbeobtained.IfRQDnobeysEq.(2),thenxscanlinescanbeusedtoobtaintherealRQDoftherockmass.Thenxscanlineswerestochasticallychosen1000times,and1000RQDnvaluesalongthenxstochasticscanlinecanbedetermined.ConsideringthenumberobeyedbyEq.(2)asn,ifnislargeenough,arbitrarynxscanlinescanberationallyappliedtocalculatetheRQD.Withincreasednx,ncanbecalculatedasshowninFig.4.Whenthescanlinesaremorethan13,therealRQDcanberepresented995outof1000times.Therefore,13scanlinescanbeconsideredasabletoobtaintherealRQDregardlessoftheirlocations.Thespacingsofthescanlinegroupsandthescanlinesineachscanlinegroupshouldbeanintegermultipleof2.5m.Consideringthesizeoftherockmass,15scanlinesareset(3scanlinegroupsand5scanlinesineachscanlinegroup).Fig.3.DiagramofsettingupscanlinegroupsinacuboidFig.4.Frequencychangewithincreasednx.(3-2)Eachscanlineisassignedaserialnumber,i.e.,x,y,z,x0,y0,andz0.x,y,andzrepresentthedirectionvectorsin3-Dspace,whichcouldspecifythescanlinegroups.x0,y0,andz0respectivelyrepresentthex,y,andzcoordinates,whichthescanlinesover-pass.Abeelinecouldbedeterminedbythedirectionvectorandoverpassedpoint.Therefore,eachscanlinecouldbespecifiedbythecorrespondingserialnumber.Thescanlinesmustnotbesetontheedgeofacuboidbecausethespace(cuboid)shouldbelargeenoughtoaccommodateallfractures.Ifoneofthefracturesisslightlybiggerandlocatedattheedge,thecuboidshouldbelargertoaccommodatethefracture.Therefore,thefracturefrequencyontheedgeshouldbelessthantheaveragevalue.3.3.RQDcalculationAllfracturesoftherockmassarelocat