大倾角特厚煤层悬顶结构能量分布特征与防冲方法_张基伟
第39卷增刊2
2014年12月煤炭学报JOUＲNALOFCHINACOALSOCIETYVol．39Dec．Supp．22014
．煤炭学报，2014，39（S2）：316－324．doi：10．13225/j．张基伟，王金安．大倾角特厚煤层悬顶结构能量分布特征与防冲方法［J］
cnki．jccs．2014．0530
ZhangJiwei，WangJin’an．Energydistributioncharacteristicsandrockburstcontrolmethodsofsteeperinclinedthickcoalseamhanging
J］．JournalofChinaCoalSociety，2014，39（S2）：316－324．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．0530roof［
大倾角特厚煤层悬顶结构能量分布特征与防冲方法
张基伟，王金安
（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）
要：针对大倾角特厚煤层由悬顶大量弹性能聚集后突然释放引发的冲击地压现象，建立了“倾
力学模型。分析了该结构的能量分布特征，确定了悬顶上弯曲变形能集中程度较高斜悬顶结构”摘
的两个重点卸压区域。利用数值模拟分析，发现了超前顶板重点卸压区域的弹性能释放后由能量
“人”转移与积聚而形成字型能量分叉形态，构成了顶板防冲卸压后的主要灾源。据此提出了大倾
将方法分为悬顶能量释放与次生能量消耗2个阶段，并分析角特厚煤层弹性能定向释放防冲方法，
了各阶段的作用与防冲手段。通过顶板动态监测与地音监测检验，证明此方法能够在有效的缩短
悬顶面积，减小工作面顶板压力与来压步距的同时，降低由顶板防冲卸压造成次生灾害的可能。
；“人”关键词：大倾角特厚煤层；倾斜悬顶结构字型能量分叉；弹性能定向释放
中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：0253－9993（2014）S2－0316－09
Energydistributioncharacteristicsandrockburstcontrolmethodsofsteeper
inclinedthickcoalseamhangingroof
ZHANGJi-wei，WANGJin-an
（SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China）
Abstract：Basedonthephenomenonoftherockburstduetoagreatdealofelasticenergygatheringandsuddenlyre-leasingonthesteeperinclinedthickcoalseamhangingroof．Theinclinedroofhangingstructuremechanicalmodelwasestablished．Thecharacterofthisstructureenergydistributionwasanalyzed，aswellastwokeyreleaseareasonthehangingroofwasconfirmed．Theherringboneenergybifurcationafterelasticenergyreleaseontheaheadofminingfaceroofwasfoundthroughthenumericalsimulations，whichwasthemostprincipaldisastersourceafterpressurereliefontheroof．Thedirectionalelasticenergyreleasingmethodforcontrolrockburstwasputforwardaccordingly．Themonito-ringdatashowthatthismethodissignificanceinreductionoftheroofpressure，theweightinginterval，aswellastheprobabilityofsecondarydisaster．
Keywords：steeperinclinedcoalseam；inclinedroofhangingstructure；herringboneenergybifurcation；directionalelasticenergyreleasingmethod
随着煤矿开采规模与深度的逐年增加，冲击地压
我国学者针对冲击的强度及危害日益突出。近年来，
地压防治机理进行了大量的理论分析与实验研究，相
继提出了开采解放层理论、围岩强度弱化减冲理论［3］［4］、能量递减防治理论、应力三向化理论、减［5－6］［7］、改变煤岩体性质说等冲击地压缓应力梯度说［1－2］防治机理，形成了包括工作面布置优化，煤层卸载爆破，顶板深孔爆破，煤层高压注水，大直径钻孔卸压等
收稿日期：2014－04－21责任编辑：常琛
基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（U1361208）
作者简介：张基伟（1988—），男，内蒙古包头人，博士研究生。E－mail：qiyijianjunyi@sina．com。通讯作者：王金安（1958—），男，河北昌黎人，
－－Email：wja@ustb．edu．com教授。Tel：01062334098，
增刊2张基伟等：大倾角特厚煤层悬顶结构能量分布特征与防冲方法
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防冲方法。围岩强度弱化减冲理论利用煤岩体采掘过程中弹性应变能的增量与极限弹性应变能之间的关系，诠释了冲击地压防治机理。能量递减防治理论将开采后发生冲击地压的能量分为原生能量和次生能量，并根据各能量的赋存状态将冲击地压防治分为3个阶段，分别为采动高应力转移阶段、采动高应力释放阶段、剩余能量消耗阶段。认为冲击地压防治关键取决于将煤体内储存弹性能释放。于正兴等结合煤层卸压、深孔爆破卸压、顶底板卸压等冲击地压防治措施使巷道浅部围岩从单向受力向深部的三向受力状态转移，保证围岩达到了应力三向化状态。可见，我国在冲击地压防治方面取得了丰硕的成果。上述成果多以水平及近水平煤层为工程背景，而大倾角特厚煤层冲击地压防治理论与方法研究相对较少。
大倾角煤层由于煤、岩层沉积结构具有特殊性，造成了工作面顶板变形、破坏、能量分布、应力传递等
－［89］
。相对于水平或缓倾斜煤层均具有非对称特征
而言，大倾角煤层走向长壁式综放回采具有特殊的冲
击地压显现规律。简单的照搬水平或缓倾斜煤层的防治措施，会造成人力、物力的浪费，易造成次生灾害。因此，针对大倾角特厚煤层冲击地压显现规律，对其防治机理进行研究，具有理论与实用价值。甘肃靖远王家山煤矿大倾角特厚煤层走向长壁式综放回采工作面布置方式较为特殊（图1）。工作面巷道分为顶板巷与底板巷，工作面倾斜长度为90m左右。2011—2013年，该矿冲击地压特征归纳冲击地压事件主要集中在顶为：①从发生时间来看，板岩层的活动期间，如周期来压、顶板二次垮落等；②从发生地点来看，工作面回采期间顶板巷较底板巷冲击地压发生频繁且强烈；③从发生区域来看，冲击地压多发生在开帮线等临空区域附近；④从发生现象来看，顶板巷主要现象为近顶帮及侧煤帮挤压变形，且变形量较大，底板巷主要表现为巷道鼓帮、底臌
。
［4］
针对以上总结的王家山煤矿冲击地压发生特点，
本文建立了大倾角煤层工作面回采后形成“倾斜悬顶结构”力学模型，深入的研究倾斜悬顶结构中弯曲
顶板破断等特征，探讨了大倾角特厚顶变形能分布、
2D
板弹性能释放机理。利用UDEC数值模拟软件对顶板弹性能释放前后的能量分布进行分析。综合以
上分析结果提出了大倾角特厚煤层弹性能定向释放防冲卸压方法。为大倾角特厚煤层冲击地压防治提供理论及实践依据。
1工程概况
靖远王家山煤矿现主采煤层为二煤，其平均厚度15.3m。地质构造简单，沉积层位稳定，目前工作面倾角为31°～42°。地质柱状图如图2所示，煤层顶板主要由细砾岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩等岩石组成，岩石普氏硬度系数为3.6～5.0。基本顶平均厚度大于25m，部分区域可达到40m。可见，倾角大、硬顶、厚煤层是该矿区煤层埋藏3个基本特征。根据冲击倾向性实验，测得自然状态下2煤具有强冲击倾向性。所以认为大倾角特厚煤层冲击地压发生的直接原因是工作面后方悬顶断裂导致大量的弹性能突然释放，造成工作面前方区域内煤体失稳，最终发生冲击地压
。
图2Fig.2
地质柱状图
Geologicloggingchart
2
2.1
大倾角特厚煤层悬顶力学模型构建与弯曲
变形能分布规律
倾斜悬顶结构模型构建
图1
Fig.1
大倾角煤层工作面布置
Workingfacelayoutofsteeplyinclinedseam
［10］
根据大倾角煤层覆岩运移规律研究可知，大倾角煤层回采后，顶板冒落矸石沿倾斜方向向下滑移
318
煤炭学报
Fd（x）=－（L+Ls
2014年第39卷
或滚落，在工作面下部形成小范围充填区域。工作面上部的未冒落煤柱仍然具备一定的支撑力，造成大倾角煤层悬露顶板受力具有非对称特征，本文将此顶板
，考虑到上覆岩层的变形特征称为“倾斜悬顶结构”
重力与水平构造力，建立图3所示的“倾斜悬顶结
构”物理模型
。
{ρg（λsinθ+cosθ）［H+
－x）sinθ］}（0≤x≤（L+L））
s
（3）
m为区段煤柱的垂高，m；c为煤层与顶板间的式中，
MPa；Fd（0）为原点处上覆岩层作用在悬顶的黏聚力，
载荷；［σy，为煤体侧支承压力峰值，根据数值模拟max］
MPa；φ为煤层与顶板间可得出峰值约为1.2Fd（0），
（°）；Ls为塑性区宽度，m；L1为矸石充填的摩擦角，
m；L为工作面倾斜长度，m；ρ为上覆岩层的区宽度，
kg/m3；g为重力加速度，N/kg；θ为工作面平均密度，
（°）；H0为工作面上边界埋深，m；λ为侧压力倾角，系数。
在小变形条件下，由于上方采空区悬空覆岩对顶
弯矩为零。所以不考虑轴向荷板的荷载通过圆心，
载，得到倾斜悬顶结构力学模型（图4）
。
图3“倾斜悬顶结构”物理模型Fig.3
Physicalmodelofinclinedhangingroof
为了便于对“倾斜悬顶结构”力学特性进行分
假设工作面上部的煤柱为弹簧支撑。则根据胡克析，
定律Ft=KΔ可知，弹簧常数K与煤柱的密实程度有关，Δ为基本顶上部位移量。倾角为θ、倾斜长为L的工作面下部顶板向煤体延伸，所以可以将其视为固支端。为了计算煤体塑性区长度xp的顶板支撑力σy，可利用煤体边缘塑性区内应力、塑性区宽度的表，达式其中px为煤壁侧向约束力。塑性区内煤壁对基本顶沿y轴正方向的支撑力σy（x），得
2tanφpcc
+xeλ－0≤x＜Ls）σy（x）=
tanφtanφλ
（1）
2tanφLs
pxc－
λ－c。+［δy，其中=max］etanφλ
［11－12］
()
图4“倾斜悬顶结构”力学模型
Fig.4
Mechanicalmodelofinclinedhangingroof
()
2.2顶板弯曲变形能分布函数的确定根据小变形条件下遵循力的叠加原理
［13］
顶板下端头填充矸石较为密实，越往上越松散，
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