岩层控制理论与技术

中国矿业大学2014级硕士研究生课程考试试卷考试科目岩层控制理论与技术考试时间2015年6月学生姓名仲米原学号TS14020189所在院系矿业工程任课教师张东升中国矿业大学研究生院培养管理处印制成绩膏体充填控制覆岩变形机理研究研究膏体充填地表变形情况，必须分析充填体与覆岩的受力状态与变形、充填开采后关键层随时间的动态变化过程，并确定顶板岩层的弯曲下沉量。我国学者刘宝琛利用流变介质模型分析了充填开采时的矿压问题；史元伟利用弹性地基梁理论对充填开采进行了相关研究，获得了一系列有益的结果。存在的问题是：忽略了控顶区与充填区地基系数的不同，而控顶区充填支架的支撑阻力与刚度是保证充填效果的关键因素之一。为此，本章建立由膏体充填体、支架和煤体形成的耦合支撑体系的力学模型，研究充填开采覆岩移动变形机理。1.煤矿开采覆岩破坏的基本规律1.1覆岩破坏的基本过程岩体在被采动之前，在地层中受到各个方向力的约束，处于原岩应力的自然平衡状态，即主应力近似相等，并且均是压应力。在较大埋藏深度处岩体内任意取一单元立方体岩块，此时岩块处于三向受力状态，如图1-1所示。由上覆岩层重量形成的垂直应力z导致岩块发生三个方向的移动和变形，即垂直方向的压缩和侧向的膨胀，但由于受到相邻岩体的限制，其变形只能是零，则形成了岩块的侧向应力x、y。因此存在：Hz（1-1）HzyX11（1-2）式中，γ为上覆岩层平均容重，H为上覆岩层厚度，μ为泊松比。对于大多数岩石来说μ值通常在0.2~0.3之间，即岩体内应力状态中由于自重产生的水平应力约为垂直应力的25%~43%，并且均是压应力。假设岩块处于塑性状态，则有x=y=Hz。通常，地下岩体处于弹－塑性状态。由于上覆岩层重力的作用或由地质构造形成的构造应力造成岩石体积与形状的变化。岩石体积压缩而聚集的弹性能vU为vU2222)1(6)1)(21(EH（1-3）式中，E为弹性模量，由上面两式可以看出，随着开采深度H的增加，处于弹性状态的岩层所聚集的弹性能将随H成平方关系增加。这种弹性能在一定条件下释放出来，则会造成岩体的移动和变形。由于地下采煤工作的进行，在岩体内部形成一个空洞，即采空区。煤层上覆岩层内部原有的应力平衡状态受到破坏，岩层内部的应力将重新分布以达到新的平衡。为了达到新的应力平衡，采场上覆岩层自采空区向上将发生一系列变形与破坏。这时，采空区四壁产生减压区，采空区内部压应力消失，煤层聚集的弹性能将被释放出来，造成煤体被压碎并向采空区突出；同时，采空区顶、底板也产生减压区，压应力为拉应力所代替，从而引起周围岩石的破坏，造成采空区附近岩层移动和变形。采空区上部顶板岩层在自重及其上覆岩层重力作用下，发生向下弯曲，当岩体内部拉应力超过岩石强度极限时，顶板岩层断裂、破碎和垮落。采空区底板岩层由于应力松弛而出现隆起。在岩石破碎而垮落的冒落带上面，坚硬岩层（基本顶）通常以岩梁或悬臂梁的形式沿层面法线方向和层面方向移动。这是一个十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层产生移动和破坏的过程，这一过程和现象称为岩层移动。在整个岩层移动与变形过程中，存在着岩石垮落、突出、片帮、底鼓、断裂、离层、裂隙、滑移、弯曲等破坏形式。随着采煤工作面的不断推进，采空区面积的不断扩大，在充分采动后，上覆岩层最终将形成“横三区、竖三带”，即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为冒落带、裂缝带、弯曲下沉带。采场上覆岩层移动变形破坏的结果在地表表现为地表大范围的下沉，即地表沉陷，形成一个比空区面积大得多的下沉盆地，并导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁破坏等诸多灾害性后果。这种因地下采矿引起岩层移动和地表沉陷的现象和过程，称为开采沉陷。图1-2展示了煤矿开采地表下沉盆地逐渐连续的形成过程。煤矿开采是单向推进，当工作面推进到位置1时，达到启动距（一般为1/4~1/2H，H为采深），将形成一个较小的地表盆地1w，工作面继续推进到位置2时，在地表下沉盆地1w的范围内，地表继续下沉，同时在工作面前方原来尚未移动地区的地表点，开始向采空区移动，从而使地表下沉盆地1w扩大而形成地表下沉盆地2w。随着工作面的继续推进，将相继形成43,ww。工作面回采结束后，地表移动不会立刻停止，还要持续一段时间，在这一段时间内，地表下沉盆地的边界还将继续向工作面推进方向扩展，最后停留在停采线一侧逐渐形成最终的地表移动盆地4ow。图1-2煤矿开采地表下沉盆地的形成工程1-2覆岩变形破坏的根源煤矿开采地表沉陷是由于煤层开采形成的空洞对岩层原有平衡状态的破坏，造成空洞周围岩（煤）体临空而发生在垂直方向和水平方向上的缓慢或突发性变形、破坏和运动的结果。地表沉陷和矿山压力显现的根源是开采形成的空洞，即采空区。因此，广大学者从根源出发，寻求有效解决覆岩变形和地表沉陷问题的开采方法。2.膏体充填开采控制覆岩变形的力学原理充填开采岩层控制的原理是通过对采空区充满充填浆体来实现采空区顶板悬露岩梁的“永久”平衡。理论上，目前只有离层区注浆和膏体充填开采技术能满足上述要求。研究结果表明，离层注浆仅是充填离层的空间，而对产生地表沉陷的根源—采空区并未进行充填，故其难以达到控制地表沉陷的要求。膏体充填过程是一个先将采煤工作面向前推进一个充填步距，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等四种物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程。现场研究结果表明：随着充填开采范围的增大，老顶的悬露跨度越来越大，逐渐形成由充填体、煤体和支架共同作用的支撑体系。把整个上覆岩层看成是一个半无限承载梁，可把煤层和充填体看成弹性基础。这样，支撑压力和煤层、充填体的下沉量都是可用半无限弹性基础梁理论来研究。2.1工作面初采充填前岩层控制力学模型膏体充填前，当工作面推进距离小于顶板岩体的极限跨度时，顶板岩体不垮落，可将老顶视为一端由工作面煤壁，另一端由工作面后方煤壁支撑的两端固支梁，上覆岩层重量将通过老顶“梁”传递至两端的支撑点上，即工作面煤壁和切眼煤壁上。此时的岩层控制可看成中间悬空两边位于弹性基础上梁的弯曲问题。以左侧煤壁为原点，建立岩梁力学模型如图2-1所示：图2-1充填前岩梁力学模型3.小结：1）本章说明了膏体充填开采控制覆岩变形的力学原理，重点分析了控制覆岩变形的动态移动过程及其受力的转化过程。并在总结前人研究成果的基础上，建立了充填开采时的顶板岩梁力学模型，给出了极限充填步距和安全充填步距的计算式，分析了影响充填步距大小的主要因素，结果表明，充填开采时的充填步距与顶板岩层的厚度基本成正比，并随着岩层强度以及直接顶厚度的增大而增大。2）根据煤矿膏体充填开采工作面煤体、支架、充填体组成的支撑体系耦合作用的特点，建立了充填开采的组合顶板岩梁Winkler弹性地基力学模型，推导了充填体、支架和煤体三者共同作用与顶板挠曲线关系方程。3）基于弹性地基梁理论，给出了充填工作面支护强度以及充填体早期强度的计算式，为强度选择提供了理论依据，并分析了各自的影响因素以及变化特征，结果表明，支护强度与顶板厚度和弹性模量之间呈幂函数关系，而且随着顶板弹性模量和厚度的增加，支护强度逐渐降低；充填步距对充填体早期强度的影响最显著，呈线性关系增加。