張小樓煤礦1.2Mta新井設計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,張小樓,煤礦,mta,設計,cad,圖紙,文檔 專 題 部 分 23 孤島工作面危險性分析 曹現(xiàn)磊 礦業(yè)工程學院 中國礦業(yè)大學 徐州 210008 摘要： 本文圍繞孤島工作面開采前后，覆巖斷裂破壞特征及孤島煤體支承壓力分布規(guī)律等得出了孤島沖擊傾向性煤層發(fā)生沖擊地壓的固有屬性和力學條件，建立了孤島煤柱沖擊地壓模型，詳細分析了孤島煤柱在不同力學條件下的各類破壞方式。根據沖擊地壓顯現(xiàn)特征，綜合分析了孤島煤柱沖擊地壓的影響因素。應用礦山壓力的理論，計算了煤柱頂?shù)装宓膽Ψ植?，結合不同寬度煤柱的應力特點，給出了孤島煤柱的三類應力分布規(guī)律:一般應力分布、馬鞍型應力分布、拱型應力分布。應用軟件，對不同寬度的煤柱進行了模擬計算研究，驗證了孤島煤柱的應力分布規(guī)律?；诠聧u煤柱應力分布規(guī)律，綜合利用鉆屑法理論、數(shù)值模擬研究成果，采用距離修正指標，針對孤島煤柱弱面滑移型、煤柱壓垮型、底板破壞型、底板參與型的破壞方式，提出了具體的分類方法來評價孤島煤柱的沖擊危險性，并給出了各個評價方法的評價指標。結合本文研究成果，為現(xiàn)場的沖擊地壓危險性評價提供了理論依據，并完善了孤島煤柱沖擊地壓危險性評價理論與方法。 關鍵詞:孤島工作面 上覆巖層破壞 沖擊地壓 危險性 1緒論 1.1問題的提出及研究意義 我國的煤炭資源條件較差，90%以上的煤炭產量來白于地下開采。經過長期大規(guī)模的采掘活動，我國中東部產煤區(qū)的淺部煤炭資源己逐漸枯竭，日前平均開采深度己達600米左右，并且以每年8一12米的速度向下延伸。雖然我國西部地區(qū)淺部煤炭資源相當豐富，但水資源缺乏、生態(tài)環(huán)境脆弱，同時也受到交通運輸?shù)韧獠織l件制約，煤炭開采十分困難。盡管國家很早就提出“鞏固東部發(fā)展西部，的煤炭工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，但煤炭開發(fā)重心西移的方案在近期內難以實現(xiàn)。所以，除了開采技術的提高和煤礦資源開采向深部的轉移之外，孤島工作面的開采對于煤炭資源回收率的提高具有十分重要的戰(zhàn)略意義和經濟意義。 1.2選題的背景及意義 為了避免連續(xù)工作面之間的干擾和安全開采的需要，采區(qū)內工作面之間有時需要采用跳采接續(xù)方式。另一方面，由于煤層開采的地質條件限制，如斷層等構造的存在，切割了煤層的連續(xù)性，全國各大礦區(qū)都普遍存在著多種形式的孤島工作面，有時為兩面采空的孤島工作面，有時為三面采空的孤島工作面以及四面采空的孤島工作面。由于孤島工作面開采頂板控制難度很大，同時也給工作面的快速推進帶來較大的困難。孤島工作面安全高效生產將會遇到下列突出問題：第一，孤島工作面由于容易產生應力集中，來壓強度提高，采用常規(guī)的措施將不能對工作面圍巖實施有效控制，影響工作面的快速推進;第二，圍巖破壞嚴重，巷道支護困難，覆巖離層和斷裂現(xiàn)象十分明顯，采用己有一的巷道布置和支護技術體系，難以有效地控制孤島開采順槽巷道圍巖變形量，影響工作面正?；夭?第三，孤島工作面上覆巖層運動規(guī)律和采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與非孤島開采條件有很大差別，目前有限采動條件下孤島工作面兩側覆巖處于非充分采動狀態(tài)，孤島開采將對本工作面及相鄰工作面覆巖結構特征產生重大影響，極容易發(fā)生沖擊地壓。所以，孤島工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，圍巖破壞嚴重，回采巷道支護比較困難，在孤島工作面開采的過程中，煤與瓦斯突出、煤層自燃、沖擊地壓、巷道布置、巷道支護、頂板管理等一系列問題一直是制約煤礦安全生產的頭等大事。由于問題的復雜性，日前為止，對孤島工作面高應力沖擊地壓的研究還沒有建立符合實際的沖擊地壓發(fā)生及破壞過程的理淪，影響了對孤島工作面高應力沖擊地壓的預測、預報及防治方法的開展。因此，正確分析孤.島工作而發(fā)生沖擊失穩(wěn)的主要因素，研究沖擊地壓發(fā)生時上覆巖層運動和破壞特征、支承壓力分布規(guī)律及其對開采的影響，采取有效的手段控制工作面頂板和巷道變形是確保孤島工作而安全開采的關鍵問題。本文通過現(xiàn)場調杏分析了地質構造、工作面開采深度、煤巖體物理力學特性、工作面開采條件對孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的影響規(guī)律，確定了巷道頂板受工作面動壓影響的劇烈的區(qū)域;運用強度理論、能量理論研究了工作面不同埋深、不同地應力場、不同煤層厚度和煤巖體材料的各向異性對孤島工作面沖擊地壓的影響特征特征，分析了孤島工作面應力場和能量場的變化規(guī)律，結合現(xiàn)場監(jiān)測結果，確定了孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域;研究了孤島工作面回采過程中不同煤柱寬度情況下煤柱應力場、位移場和塑性破壞區(qū)的變化規(guī)律，對孤島煤柱發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能性進行了動態(tài)預測。采用數(shù)值分析方法研究了在工作面回采過程中，在順槽巷道采用超前卸壓孔的卸壓效果，分析了布置孔徑d，孔間距a和孔深1的優(yōu)化參數(shù)。本文的研究對于孤島工作面安全開采和煤柱保護具有科學意義和工程指導價值。 1.3國內外研究現(xiàn)狀 1）孤島工作面沖擊地壓失穩(wěn)理論研究現(xiàn)狀 關于孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的理論分析主要有孤島一頂板受力系統(tǒng)的失穩(wěn)機理、主關鍵層理論以及突變理論等。將孤島工作面和頂板作為受力系統(tǒng)分析其失穩(wěn)機理在國內外取得了一定的進展，基于溫克爾假設，將堅硬頂板視為彈性板，煤柱等效為連續(xù)均勻分布的支撐彈簧，從而形成煤柱一頂板相互作用系統(tǒng)，同時，將煤柱視為應變軟化介質，采用近似的weibull分布描述它的損傷本構模型，依據板殼理論和非線性動力學理論對采空區(qū)煤柱一頂板系統(tǒng)失穩(wěn)機理進行了研究，得出了系統(tǒng)失穩(wěn)的突變機制，并給出了系統(tǒng)失穩(wěn)的數(shù)學判據和力學條件。將堅硬頂板視為彈性梁，把煤柱視為應變軟化介質，對堅硬頂板和煤柱組成的力學系統(tǒng)研究了失穩(wěn)的演化過程。通過對建立的尖點突變模型的分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)失穩(wěn)主要取決于系統(tǒng)的剛度比k與材料的均勻性或脆性指標腳值，并給出了失穩(wěn)的充要條件力學判據和失穩(wěn)突跳量的表達式。同時，根據材料損傷與聲發(fā)射累計計數(shù)的對應關系，建立了煤柱一頂板失穩(wěn)演化過程中聲發(fā)射率的動力學模型。孤島工作面兩側采空區(qū)上覆巖層中土關鍵層受采動影響是否充分視為區(qū)分條件，并將主關鍵層設為三種不同邊界條件下的薄板模型，分析了孤島工作面主關鍵層破斷的機理。關于孤島工作面及煤柱沖擊破壞的突變理論近兒年的研究成果較多，竇林名等應用突變理論，建立了煤柱受載失穩(wěn)發(fā)生沖擊地壓的檢點突變模型，得到了在剛度比和全位移兩個變量控制空間下煤柱發(fā)生沖擊地壓動力現(xiàn)象的的分歧點集，得出了預測預報煤柱失穩(wěn)發(fā)生沖擊破壞的臨界點位移公式。潘岳等基于簡化的狹窄煤柱巖爆分析模型和功、能增量平衡關系，得出狹窄煤柱巖爆的折迭突變模型。而且這種突變模型的平衡方程和平衡路徑所展示的全部性態(tài)，可對煤柱以巖爆形式破壞或者漸進形式破壞過程的主要行為作出詳細的描述，對理解圍巖一煤柱系統(tǒng)在各階段的行為規(guī)律有著重要的作用。張勇等在潘岳所研究的基礎上將未采煤層視為彈性地基，根據能量守恒原理得到了功、能增量平衡關系式，求得圍巖一煤柱系統(tǒng)作準靜態(tài)形變時的平衡方程，在分析過程中，用折迭突變總勢能函數(shù)作為判別準則，計算了煤柱巖爆地震能釋放量，闡明煤柱巖爆機制是由于巖梁彈性能釋放量超過峰后軟化煤柱形變所耗的能量所造成的。徐曾和陣通過對尖點突變模型對堅硬頂板條件下煤柱巖爆非穩(wěn)定機制的分析，給出了煤柱巖爆發(fā)生的準則、巖爆時的項板突跳和能量釋放量，討論了影響巖爆的因素及影響程度，并以此為基礎討論了巖爆發(fā)生的前兆規(guī)律與過程，提出了可監(jiān)測的前兆信息。 2）孤島工作面沖擊地壓評價及控制研究現(xiàn)狀 孤島工作面及其周圍巷道附近應力集中程度高，項板運動劇烈，加上地質構造的影響及其容易發(fā)生沖擊地壓。己有許多學者對孤島工作面沖擊地壓進行了評價和控制研究，如竇林名指出孤島工作面沖擊礦壓危險監(jiān)測預報及控制的技術重點是首先要分析沖擊危險程度，確定沖擊危險指數(shù)，采用電磁輻射和鉆屑法進了丁及時預報，采用爆破法進行卸壓處理，用電磁輻射和鉆屑法檢驗防治措施的效果。劉曉斐以南山礦孤島煤柱沖擊地壓為例，將其它磁輻別一前兆序列劃分為有危險和無危險兩個樣本，分析了煤柱沖擊地壓電磁輻射前兆時序特征，為實現(xiàn)沖擊地壓電磁輻射前兆信息的定量識別和準確預測提供依據，為沖擊地壓電磁輻射預測研究提供了新的嘗試。姜福興網通過建立下保護層中殘留孤島煤柱的結構力學模型，應用力學原理分析了殘留煤柱及被保護層煤體中的應力狀態(tài)，得到煤柱誘發(fā)沖擊地壓的機理，井且指出保護層中殘留的孤島煤柱使上層煤中的應力水平成倍增加，在大采深條件下必然會發(fā)生沖擊破壞。姜福興的研究結果表明，煤柱誘發(fā)沖擊地壓的原理是在煤柱的支撐作用下形成了2個強剪切帶，剪切帶內的強剪切力分別使煤柱和巖層斷裂，釋放彈性能，從而誘發(fā)沖擊地壓。同時，微震監(jiān)測數(shù)據顯示，當微震事件不隨f作面開采向前發(fā)展，而是在某一區(qū)域內停滯不前時，則此區(qū)域處于高應力區(qū)的邊緣，發(fā)生沖擊的可能性增加。經過理論和現(xiàn)場微震監(jiān)測分析之后，姜福興提出深孔爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓是治理孤島煤柱型沖擊地壓的有效手段。劉心廣在分析了孤島煤柱發(fā)生沖擊地壓危險區(qū)域的基礎上，提出了以鉆屑法為主、電磁輻射儀監(jiān)測和鉆孔應力計監(jiān)測相結合的方法防治沖擊地壓高危區(qū)域。吳興榮通過調研徐州三河尖煤礦東翼厚煤層區(qū)域回采的三個孤島煤柱工作面先后發(fā)生的沖擊礦壓，提出了合理布置巷道位置、充分利用工藝破煤效果進行卸壓、采用綜合檢測技術進行預測預報等技術，對孤島煤柱工作面發(fā)生沖擊地壓做出評價和預報。徐思朋針對煤柱沖擊地壓發(fā)生的滯后性，建立了一個簡單力學模型，從煤柱流變性的角度給出了其發(fā)生的判別準則。 1.1.3目前研究存在的問題 孤島工作面由于其特有的地質結構，特別容易發(fā)生沖擊地壓，這決定了其回采過程中與非孤島工作面不同的礦壓顯現(xiàn)特征，所以針對孤島工作面沖擊失穩(wěn)理論、現(xiàn)場礦壓監(jiān)測、順槽巷道圍巖支護以及沖擊傾向性評價有較多的科研成果，但目前的研究存在如下問題: (l)對判斷孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的指標存在爭議。目前大部分研究仍然將應力集中部位視為發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域，但現(xiàn)場實測顯示，某些高應力區(qū)域并沒有發(fā)生沖擊地壓。本文將通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據對判斷孤島一作面是否發(fā)生沖擊地壓做初步探討。 (2)目前的研究中孤島工作面開采過程中的礦壓規(guī)律較為模糊。孤島工作面由于其周圍煤體被采空，上覆巖層的自重被孤島工作面承擔，加上特殊的地質構造，孤島工作面回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會隨著礦井的條件而變化，日前無法形成適合大部分孤島工作面回采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。 (3)國內外研究現(xiàn)狀中針對孤島工作面回采過程中能量場的變化規(guī)律涉及較少。工作面回采過程中，工作面前方能量的積聚是發(fā)生沖擊地壓的主要因素，所以，探明孤島工作面前方的能量變化對研究沖擊破壞有一定的知道意義，本文將在這一方向做具體分析。 綜述所述，木文的主體思路是以孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的主要誘囚為主線，詳細歸納了工作面地質構造和構造應力、工作面開采深度、煤層物理力學性質和高沖擊傾向勝、頂?shù)装鍘r層屬性臨近工作面的開采和本工作面的回采技術條件對孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的主要影響規(guī)律;通過現(xiàn)場調查和礦壓監(jiān)測得出孤島工作面順槽巷道變形破壞以及工作面支架載荷的變化規(guī)律，運用電磁輻射和鉆屑法評估孤島工作面發(fā)生沖擊破壞的危險程度，確定孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域;運用數(shù)值分析的手段對不同理深、不同地應力場、不同煤層厚度以及煤巖體材料各向異性對孤島工作面沖擊地壓的影響進行了詳細的分析和計算，進一步確定孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的區(qū)域，并且驗證現(xiàn)場監(jiān)測結果;在此研究的基礎上，分析了孤島工作面回采過程中不同煤柱寬度情況下煤柱應力場、位移場和塑性破壞區(qū)的變化規(guī)律，進一步分析了不同煤柱寬度條件下煤柱支承壓力和彈性核的隨工作面回采的動態(tài)變化規(guī)律;最后提出孤島工作面超前卸壓孔的布置方案，確定了卸壓孔孔徑、孔深和孔間距等參數(shù)，評估防沖卸壓效果。 2孤島工作面上覆巖層運動和破壞以及支承力 2.1覆巖斷裂系破壞分析 孤島工作面煤體支承壓力比正常工作面大，并且在孤島工作面兩側一定范圍內的煤體上形成應力集中。孤島工作面的來壓步距比一般正常工作面小。這說明孤島工作面形成過程中，上覆巖層受到兩側工作面開采影響。礦山壓力顯現(xiàn)是覆巖運動的直接反應，根據孤島工作面開采與正常工作面開采的礦山壓力顯現(xiàn)對比，可以推知兩種回采工作面上覆巖層運動和破壞存在差異。兩側工作面開采時，上覆巖層已經發(fā)生斷裂破壞，如圖2.1所示，可以看出孤島工作面上覆巖層結構發(fā)生了改變，斷裂破壞以上的巖層，保持了完整的結構，并承擔自身以及上部巖層重力，并且有著良好的傳遞力條件，對該巖層可以簡化成板或梁模型。孤島工作面支承壓力來源于孤島工作面正上方覆巖以及兩側板或梁所控制的覆巖范圍重力，這便是孤島工作面支承壓力較正常工作面大的直接原因。鑒于此，在開采孤島工作面時，必然導致其上覆巖層運動和破壞不同。為了弄清孤島工作面覆巖運動和破壞，首先分析兩側工作面開采后，覆巖運動和破壞情況。根據文獻“’研究，工作面上覆巖層第一層兩端斷裂前懸跨度為L,，其上一巖層的實際跨度LZ = 0.8L,，依此類推。研究表明:覆巖斷裂破壞高度隨著工作面開采范圍增加而增大，但工作面開采范圍達到或者超過臨界尺寸時，覆巖斷裂破壞高度保持基本穩(wěn)定。說明工作面采空范圍大小，對上覆巖層運動和斷裂破壞有著明顯影響。本章主要研究兩側采空范圍變化時，孤島工作面煤體平均支承壓力、工作面最小可開采尺寸和工作面開采后覆巖斷裂破壞最大高度和破壞區(qū)域形態(tài)。 圖1-1 兩側工作面開采后覆巖狀態(tài) 2.2兩側工作面開采時覆巖斷裂特征 工作面煤層開采出來后，其上覆巖層發(fā)生冒落、斷裂、離層以及下沉。工作面上覆巖層中，可能存在多個覆巖層組，組內各巖層發(fā)生同步運動，組間發(fā)生分開運動。下面分析覆巖層運動情況。把工作面上覆巖層簡化成兩端固定梁模型。設上覆巖層共n層，從下至上分別為1、 2、 3、····n 。 由材料力學可知:兩端固定巖梁彎沉時，最大曲率和撓度分別為 ρmaxi=γ1Li22Eimi2 ωmaxi=γ1Li432Eimi2 （1.1） 式中：-第i巖層容重； -第i巖層跨度； -第i巖層彈性模量； -第i巖層厚度 如果相鄰兩個巖梁的曲率和撓度有如下關系: 或 則表明:巖層發(fā)生同步運動，如圖1-2所示： 或 則表明:巖層發(fā)生分開運動，如圖1-3所示。 圖1-2 巖層同步運動 1-3 巖層分步運動 根據公式(1.1)分別判斷覆巖層運動情況。通過判斷，設開采范圍為L情況下，可分成:組同步運動，每組內有s，層巖層，如圖1-4所示。 圖1-4 覆巖組分開運動組內巖層同步運動 現(xiàn)在分析同步運動巖層受力狀態(tài)，設第k (1≤K≤S)同步運動巖層組中有s*層巖層發(fā)生同步運動，每層巖層厚度為dkr(1≤r≤Sk)，密度為 ρkr(1≤r≤sk)。 由于第k巖層組中有Sk層發(fā)1r生同步運動，考慮到層狀巖體中面上的抗剪力較弱，則由組合梁理論可知， Mk1 Ek1Ik1=Mk2Ek2Ik2=Mk3Ek3Ik3=…=Mk1Ek1Ik1 （1.2） 式中： -第同步運動巖層組中第層巖層彎矩； -第同步運動巖層組中第層巖層彈性模量 -第同步運動巖層組中第層巖層慣性矩，其中 由公式（2.4）可解得： Mk1 Mk2=Ek1Ik1Ek2Ik2 ,Mk1Mk3=Ek1Ik1Ek3Ik3 ,…Mk1Mkr=Ek1Ik1EkrIkr （1.3） 其組合梁矩為： Mkx= Mk1x+Mk2x+Mk13x+Mk4x+…+Mkrx=r=1skMkrx （1.4） 其中第一巖層其彎矩為， Mk1x=Ek1Ik1Mkx/r=1skMkrIkr （1.5） 由梁的受力原理可得第一層巖層受q1x/kr力： q1x=Ek1Ik1Mkx/r=1skMkrIkr （1.6） 式中： q(x)——第k同步運動巖層組自重分布載荷， q(x)= r=1skρkrdkr qk1x=(Ekrdkr3r=1skρkrdkr)/r=1skEkrdkr3 (1.7) 并且考慮到和q(x)的表達式qk1(x)時，第一層巖層受力可寫成如下形式， 同理可得，在第k組同步巖層組中，如第:一1層巖層發(fā)生斷裂破壞，則:r層巖層上載荷為: qk1x=(Ekrdkr3r=1skρkrdkr)/r=1skEkrdkr3 (1.8) 下面分析巖層斷裂破壞情況，假設在第k同步運動巖層組中第:巖層發(fā)生一次斷裂破壞，其上一層巖層第((r + I)層沒有發(fā)生破壞，在第;以下的巖層認為都發(fā)生了斷裂破壞。 對第r巖層，在發(fā)生斷裂破壞之前，其支承條件可看作兩端固定梁模型，力學模型如圖1-5所示。圖中L1為該巖梁的跨度。 圖1-5 兩端固定梁力學模型 對第k同步運動巖層組中第(r+1)層巖層不發(fā)生斷裂破壞有以下兩種情況:(I) 巖梁兩端最大應力沒有達到巖梁發(fā)生斷裂破壞時極限應力，且?guī)r梁最大撓曲小于SA (1l)巖梁兩端最大應力沒有達到巖梁發(fā)生斷裂破壞時極限應力，且?guī)r梁最大撓曲大于SA。這兩種情況，用數(shù)學表達為: σk(r+1)max<σk(r+1)t且fk(r+1)maxL1) (1.17) 在采動范圍中部正上方兩側一定位置覆巖斷裂破壞最大高度H1為 H1=s=1kr=1strdsr （1.18） 圖1-6 A放大 圖1-7 非充分采動覆巖斷裂破壞 圖1-8 A放大 圖1-9 充分采動覆巖斷裂破壞 并且覆巖斷裂破壞形態(tài)如圖2.7所示。 由此可知，覆巖斷裂破壞高度和破壞形態(tài)與采空范圍存在著密切關系，當采空范圍小于臨界采空范圍時，覆巖破壞最大高度為 ， H1=s=1kr=1strdsr (LL1) ，破壞形態(tài)為，兩邊高中間低凹形。 2.3 孤島工作面煤體支承壓力 孤島工作面煤體支承壓力較一般正常工作面煤體支承壓力大，并且在孤島工作面兩側內煤體一定范圍形成應力集中，在某一位置達到最大。下面分析孤島工作面煤體支承壓力較大的原因。根據孤島工作面兩側采空情況，分兩種情況討論:(1)兩側都沒達到臨界采空范圍;(2)兩側超過臨界采空范圍。 2.3.1 兩側小于臨界采空范圍 根據前面分析，兩側采空范圍沒有達到臨界范圍，表明在覆巖層中，存在某一層巖層承擔自身以及其上部巖層的重量，并且通過該巖層把其所承擔的載荷一半傳遞到孤島工作面煤體;以下發(fā)生斷裂破壞巖層對孤島工作面支承壓力影響不大。孤島工作面工作面煤體支承壓力來源于二個方面，工作面正上方覆巖重力，兩側采空區(qū)上方懸跨巖層重力。 兩側工作面開采后，假設發(fā)生斷裂破壞的最高層位是第i層和m層，巖層容重和厚度分別為r和d。第i+1和m十1巖層承擔上方覆巖載荷Qx+1和Qk+1分別為： Qs+1=0.8mLRs=m+1ndsρs （2.1） 式中： LL-左側采空區(qū)范圍 LR-左側采空區(qū)范圍 n-巖層總層數(shù) 孤島工作面正上方覆巖重量為Q為 Q=LGs=1ndsρs+LL2s=1i(1-0.8s)dsρs+LR2s=1m(1-0.8s)dsρs （2.2） 式中： LG-孤島工作面?zhèn)认驅挾? 孤島工作面煤體總的壓力Qz為 Qz=Q+Qi+1+Qs+1 （2.3） Qz=LGs=1ndsρs+LL2s=1i1-0.8sdsρs+ LR2s=1m(1-0.8s)dsρs+0.8mLRs=m+1ndsρs (2.4) 工作面煤體支承壓力平均集中系數(shù)K為， K=QzQr 式中： Qr-孤島工作面媒體原始力 K=(QzQr+LGs=1ndsρs+LL2s=1i1-0.8sdsρs+ LR2s=1m1-0.8sdsρs+0.8mLRs=m+1ndsρs)/LGs=1nds （2.5） 上式說明，孤島工作面煤體支承壓力平均集中系數(shù)大于1，隨著兩側開采范圍增大，集中系數(shù)也增大，兩側采空范圍接近臨界范圍時孤島工作面煤體支承壓力集中系數(shù)達到最大。 2.3.2 兩側臨界采空范圍 由前面分析可知，當兩側開采范圍達到充分采動時，設采空區(qū)覆巖斷裂破壞最大層位為第t層，上部t+l巖層發(fā)生沉降并且與下部斷裂、冒落巖層接觸，t上部巖層載荷不能完全傳遞到孤島工作面上。同樣孤島工作面支承壓力來源二個方面:工作面正上方覆 巖重力，兩側最高斷裂破壞巖層上一層所傳遞到孤島工作面煤體上的重力。 采空區(qū)上部巖層所傳遞到孤島工作面煤體上力為接觸位置到固定端部上力的一半。即Qs+1為 Qs+1=Lt+1s=t+1ndsρs2 （2.6） 式中： Lt+1——第t+1巖層極限跨度的一半；可以下式求得， qt+1Lt+1212Wt+1=[σt+1 （2.7） Lt+1'=12[σt+1]Wt+1qt+1 （2.8） Lt+1=Lt+1'2 （2.9） 式中： [σt+1]——第t+1巖層極限應力 qt+1——第t+1巖層上載荷 Wt+1——第t+1巖層截面模量 Lt+1'——第t+1巖層極限跨度 由式（2.8）和（2.9）可得： Qt+1=Lt+1s=t+1ndsρs2=Lt+1s=t+1ndsρs4 （2.10） 由上式可知，兩側超過臨界采空范圍時，孤島工作面煤體支承壓力平均集中系數(shù)不隨著兩側開采范圍增大而增大，即支承壓力集中系數(shù)保持穩(wěn)定，此時進一步增大兩側采空范圍對煤體支承壓力影響不大。 本章總結 兩側工作面開采后，由于中間孤島工作面相隔，在各自采空范圍上方形成斷裂破壞區(qū)域，并且采空范圍沒有達到臨界范圍時，覆巖斷裂破壞最大高度在采空區(qū)中部正上方，當采空范圍超過臨界范圍時，覆巖斷裂破壞最高位置在采空區(qū)上方兩側，由于未發(fā)生斷裂破壞覆巖下沉作用，正上方覆巖斷裂破壞高度比兩側小 。 孤島工作面開采后，其覆巖斷裂破壞范圍和高度與兩側采空區(qū)有著密切聯(lián)系，當兩側采空范圍超過臨界開采范圍時，覆巖斷裂破壞高度不會增加，即覆巖斷裂破壞最高層位不會發(fā)生變化;當兩側采空范圍中只有一側超過臨界范圍時，同樣覆巖斷裂破壞高度不會增加，但導致沒有達到臨界范圍側覆巖斷裂破壞高度增大:當兩側采空范圍都沒有達到臨界范圍時，覆巖斷裂破壞高度會增大，并且當整個采空范圍小于臨界范圍時，覆巖斷裂破壞最大高度在整個采空范圍中部正上方，破壞形態(tài)與非充分采動相似，當整個采空范圍超過臨界范圍時，覆巖斷裂破壞最高在整個采空范圍上方兩側，破壞形態(tài)與達到充分采動破壞形態(tài)相似，3種情況，覆巖破壞區(qū)域都貫通。 孤島工作面煤體支承壓力平均集中系數(shù)大于1，與兩側采空范圍大小存在聯(lián)系，隨著兩側采空范圍向臨界范圍增大，煤體平均支承壓力也增大，最大在兩側采空范圍都達到臨界范圍時，當兩側開采范圍超過臨界范圍時，支承壓力集中系數(shù)基本保持不變。 3孤島工作面沖擊地壓誘因及危險性規(guī)律 為了進一步確定孤島工作面沖，附也壓的危險區(qū)域，研究了孤島工作面不同理深、不同地應力場、不同煤層厚度以及煤巖體材料各向異性對孤島工作而沖擊地壓的誘因，分別計算了不同情況下孤島工作面應力場和能量場的變化規(guī)律。在分析沖擊地壓誘因的基礎上，工作面現(xiàn)場監(jiān)測結果，確定了孤島工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域。 3.1孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的主要誘因分析 島工作面作為煤礦開采中的一種特殊工作面，沖擊地壓的發(fā)生將以更加突然、急劇、猛烈的形式出現(xiàn)。根據煤巖體的應力狀態(tài)不同，可將孤島工作面沖擊地壓分為重力型沖擊地壓和構造應力型沖擊地壓。而沖擊地壓的主要誘因可以概括為不同煤厚、不同理深、不同地應力場以及煤巖體材料的各向異性。 3.1.1不同煤厚對孤島工作面沖擊地壓的影響 1.應力場變化規(guī)律 本節(jié)通過研究煤層厚度為3m、5m、7m三種情況下，孤島工作面煤層垂直應力的變化規(guī)律，以煤層垂直應力為指標討論不同煤層厚度對孤島工作面發(fā)生沖擊破壞的影響。圖2-1一圖2-2為不同煤厚孤島工作面垂直應力云圖以及二維視圖。 由圖2-1一圖2-2可以看出，孤島工作面煤層垂直應力場的特征可以概括如下:第一，工作面前方超前支承壓力范圍內出現(xiàn)垂直應力峰值，隨著遠離工作面垂直應力逐漸降低直至原巖應力水平;第二，靠近煤壁的巷幫由于卸壓垂直應力有很人幅度降低，隨著深入煤層內部垂直應力出現(xiàn)應力峰值;第三，順槽巷道與工作面疊加應力的匯交處垂直應力峰值較工作面處大:第四：工作面后方煤柱由于采空區(qū)卸壓，應力集中程度高。 圖2-1煤厚為3m時孤島工作面煤層垂直應力場石圖及二維視圖 圖2-2 煤厚為sm時孤島下作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-3 煤厚為sm時孤島下作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖中數(shù)據顯示，隨著煤厚的增加，工作面前方垂直應力峰值逐漸增大，垂直應力峰值距工作面煤壁距離也逐漸增大，即峰值位置逐漸遠離工作面向煤層內部轉移。順槽巷道與工作面疊加應力的匯交處垂直應力峰值同時也隨著煤厚的增加而逐漸遠離工作面，表2-1給出了工作面前方垂直應力峰值及位置。 表2-1 不同煤厚孤島工作面垂直應力分布特征統(tǒng)計 煤厚(m) 垂直應力峰值(MPa) 應力峰值至工作面趾離(m) 3 39.4 6.5 5 40.5 10.5 7 42.2 14.5 圖2-4 不同煤厚孤島工作面垂直應力變化情況 圖為不同煤厚孤島工作面垂直應力變化曲線。圖中曲線和上表中數(shù)據顯示，當煤厚為3米時，工作面前方垂直應力峰值為10.47MPa，垂直應力峰值位置距工作面煤壁6.5米；當煤厚為7米時，工作面前方垂直應力峰值為11.66MPa，垂直應力峰值位置距工作面煤壁14.5米。隨著煤層厚度的增加，工作面前方發(fā)生沖擊破壞的可能性逐漸增大，而且危險區(qū)域巨劍向煤層內部移動。順槽巷道與工作面疊加應力的匯交處發(fā)生沖擊破壞的危險程度最高，隨著煤層厚度的增加，此區(qū)域的應力峰值也向煤層內部轉移，所以應對此部位實施防沖措施。 2.能量場變化規(guī)律 當應力和應變滿足線性關系時，根據虛功原理可知，物體上任意微單元變形能和外力做功在數(shù)值上相等，得到如下變形能的計算公式u=0.5δε 圖2-5 單元微變性能圖 當外力做功時，外力功轉化為此微單元的彈性變性能，就叫做彈性應變能。由于力和變形是線性增加的，所以這是變力做功。所以，微單元每一個主應力與其主應變在如下力與位移的對應關系。 所以，當應力和應變滿足線性關系時，整個微單元里應變能的數(shù)值等一r外力做的功，即作用在微單元二對面上的力所做的功， 本研究的對象是微單元單位體積里的應變能，即應變能 所以三向應力狀態(tài)卜的應變比能是 根據廣義胡克定律 得出微單元體在二向應力狀態(tài)下的應變比能是 本節(jié)通過研究煤層厚一度為3m、5m、7m三種情況下，孤島工作面煤層垂直應力和能量場的變化規(guī)律，以變形比能為指標討論不同煤層厚度對孤島工作而發(fā)生沖擊破壞的影響。圖2-6一圖2-8為不同煤厚的孤島工作面煤層能量場云圖及三維視圖。 圖2-6 煤厚為3m“時孤島工作面煤層能量場云圖及三維視圖 圖2-7 煤厚為5m“時孤島工作面煤層能量場云圖及三維視圖 圖2-8 煤厚為7m“時孤島工作面煤層能量場云圖及三維視圖 表2-2 不同煤厚孤島工作面能量分布特征統(tǒng)汁 煤厚(m) 能量峰值(KL/m3) 能量峰值至工作面趾離(m) 3 472 6.5 5 507 10.5 7 549 14.5 圖2-9 不同煤厚孤島工作面能量變化情況 由圖2-6一圖2-8能量場云圖和三維視圖可以看出，孤島工作面煤層能量場的特征可以概括如下:第一，給作面前方超前支承壓力范圍內出現(xiàn)能量峰值，隨著遠離工作面能量逐漸降低直至未受采動影響水平;第一，靠近煤壁的巷幫由于卸壓能量有很人幅度降低，隨著深入煤層內部出現(xiàn)能量峰值;第三，工作面和順槽巷道的交界處能量峰值較工作面處大;第四，工作面后方煤柱由于采空區(qū)卸壓，能量積聚程度較高。圖中數(shù)據顯示，隨著煤厚的增加，工作面前方能量積聚程度逐漸增大，能量峰值距上作面煤壁距離也逐漸增大，即峰值位置逐漸遠離工作面向煤層內部轉移。順槽巷道與工作面疊加應力匯交處的能量峰值同時也隨著煤厚 的增加而逐漸遠離工作面，表2-2給出了工作面前方能量積聚長度及位置。 圖2-9為不同煤厚孤島工作面能量變化曲線，圖中曲線和表2-2中數(shù)據顯示，當煤厚為3m時，工作面前方能量峰值為472KJ/m3，峰值位置距工作面煤壁6.5m;當煤厚為7m，能量峰值為549KJ/m，，位置距煤壁14.5m。所以，運用能量理論分析不同煤厚的孤島工作面煤層發(fā)生沖擊破壞的規(guī)律是，隨著煤層厚度的增加，工作面前方發(fā)生沖擊破壞的可能性逐漸增大，而且危險區(qū)域逐漸向煤層內部轉移。順槽巷道與工作面疊加應力的匯交處發(fā)生沖擊破壞的危險程度最高，隨著煤厚的增加，此區(qū)域的應力峰值也向煤層內部轉移，所以應對此部位實施防沖措施。 3.1.2不同埋深對沖擊地壓的影響 不同理深對沖擊地壓的影響主要是指受重力作用影響下引起的沖擊地壓，而沒有或者有極小構造應力影響，目前棗莊、撫順和開灤等煤礦多發(fā)生重力型沖擊礦壓。本節(jié)將著重分析埋深500m、600m、700m、800m、I000m、1200m六種情況下煤層垂直應力場的變化規(guī)律。根據人量的地應力測試結果，我國人部分地區(qū)水平應力小上垂直應力，所以，本模擬過程中采用水平應力是垂直應力的0.5倍進行分析。圖2-10一圖2-15為不同埋深情況下煤層垂直應力場云圖及二維視圖。 圖2-10埋深500m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-11埋深600m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-12埋深700m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-13埋深800m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-14埋深1000m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 圖2-15 埋深1200m孤島工作面煤層垂直應力場云圖及二維視圖 從垂直應力云圖可以看出，隨著工作面理深的增加，工作面前方支承壓力逐漸向煤層內轉移，超前支承壓力峰值位置見表4.4。垂直應力場云圖及三維視圖顯示，順槽巷道和工作而疊加應力的匯交處處應力集中程度較高。隨著理深的增加，匯交處的應力峰值同樣向煤層內部轉移。這一規(guī)律表明，煤層賦存越深，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大，而且煤層發(fā)生沖擊破壞的范圍逐漸向煤層內部發(fā)展，除巷道超前支承壓力范圍內需要加強支護以外，煤層內部需要實施鉆孔卸壓等防沖措施。 表2-3 不同煤厚孤島工作面能量分布特征統(tǒng)汁 埋深(m) 應力峰值(KL/m3) 能量峰值至工作面趾離(m) 500 29.82 5.5 600 37.40 6.5 700 41.33 6.5 800 48.69 6.5 1000 62.22 7.5 1200 74.90 7.5 圖2-16 不同埋深情況下孤島工作面超前支承壓力變化情況 圖2-16為不同理深工作面超前支承壓力變化曲線，表2-3為超前支承壓力分布特征的統(tǒng)計值。從上圖和表中可知，隨著煤層理深從500m增加到 1200m，工作面超前支承壓力從29.82MPa逐漸增人到74.90MPa，增加幅度151%。由此可見，煤層賦存深度的增加導致工作面前方應力集中程度的增加，發(fā)生沖擊地壓的可能逐漸增大。表4.4中數(shù)據顯示，煤層理深的增加會使超前支承壓力遠離工作面，即理深從50Om增加到 1200m時，超前支承壓力從工作面前方5.5m向煤層內延伸至7.5m，使煤層內發(fā)生沖擊破壞的可能性逐漸增大。但是，埋深的增加與超前支承壓力位置的轉移并不是呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。表中數(shù)據顯示，可將埋深分為二個等級，即小于50m、大于500m小于800m、大于800m，超前支承壓力位置呈現(xiàn)階梯式向煤層內轉移。 總之，不同理深情況下孤島給作面發(fā)生沖擊地壓的特征可以概括為，煤層理深的增加導致了工作面超前支承壓力的增大，而且支承壓力的位置逐漸向煤層內部轉移，使煤層發(fā)生沖擊破壞的可能性增加，煤巖體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的范圍逐漸擴人到煤層內部。 總結 為了全面、系統(tǒng)地描述孤島工作面沖擊地壓危險的機理和影響因素，以 工作面地質和開采技術條件為背景，從強度理論、能量理論和沖擊傾向性理論出發(fā)，采用軟件研究孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的機理。詳細歸納分析了不同埋深、不同煤厚對孤島工作面沖擊地壓的誘因，分別計算了不同情況下孤島工作面應力場和能量場的變化規(guī)律，得到如下結論： 運用強度理論和能量理論分析不同煤厚的孤島工作面煤層發(fā)生沖擊破壞的規(guī)律是：隨著煤層厚度的增加，工作面前方發(fā)生沖擊破壞的可能性逐漸增大，而且危險區(qū)域逐漸向煤層內部轉移。順槽巷道與工作面疊加應力的匯交處發(fā)生沖擊破壞的危險程度最高，隨著煤厚的增加，此區(qū)域的應力峰值也向煤層內部轉移，所以應對此部位實施防沖措施。 不同埋深情況下孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的特征是煤層埋深導致了工作面超前支撐壓力的增大，而且支撐壓力的位置逐漸向煤層內部轉移，是煤層發(fā)生沖擊破壞的可能性增加，煤巖體發(fā)生沖擊失穩(wěn)的范圍逐漸擴大到煤層內部；而不同地應力場的孤島工作面發(fā)生沖擊地壓的特征可以概括為水平應力的增加會導致孤島工作面超前支撐壓力增大，而且超前支撐壓力的影響范圍同時也在擴大，說明工作面前方發(fā)生沖擊破壞的區(qū)域逐漸擴大。水平應力的增加會使此處的應力峰值增大，峰值位置向煤層內部轉移，發(fā)生沖擊破壞的媒體深度逐漸擴大。 隨著工作面回采支撐壓力峰值逐漸向前移動。壓力峰值位于工作面和巷道交叉點的位置，即工作面前方7.5-10米的區(qū)域，此區(qū)域內支撐壓力峰值集中程度高，發(fā)生沖擊失穩(wěn)的可能性較為強烈，同時，在工作面前方14-20米的范圍內的護巷煤柱中同樣是發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險區(qū)域。  參考文獻 [1] 錢鳴高、石平五等，礦山壓力與巖層控制，中國礦業(yè)大學出版社，2003 [2] 錢鳴高等，巖層控制中的關鍵層理論研究[J]，煤炭學報，V61.21 No.3 1996 [3] 竇林名等，堅硬頂板對沖擊礦壓危險的影響分析[[J]，煤礦開采，Vol 8 No.2, 2003 [4] 姜福興，采場頂板控制設計及其專家系統(tǒng)[M]，中國礦業(yè)大學出版社，1995 [5] 錢鳴高等，采場覆巖中關鍵層上載荷的變化規(guī)律[Iii，煤炭學報，Vol.23 No.2,1998 [6] 杜計平等，支承壓力作用下深部巷道的變形規(guī)律[J]，礦山壓力與頂板管理No.4, 1994 [7] 煤科院北京開采所，煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及應用[M]，煤炭工業(yè)出版社，1981.12 [8] 朱慶華，孤島工作面開采淺探[[J]，礦山壓力與頂板管理，N0.3 1997 [9] 吳士良，對采場礦山壓力有明顯影響的覆巖破壞運動演化規(guī)律[D]，山東科技大學，2002 [10] 隋金峰等，“孤島”對拉回采面通風系統(tǒng)調整[J]，山東煤炭科技，No.2 1996 [11] 布克林斯基BA，礦山巖層與地表移動[M]，王金莊譯:煤炭工業(yè)出版社，1989. [12] 李厚勤，試析動壓構造對軟巖頂板孤島煤柱開采的影響[[J]，山東煤炭科技，NO. 1 , 2000 [13] 趙國棟，孤島煤柱綜放面礦壓顯現(xiàn)特征淺析[LJl，西安科技學院學報，vol.20增刊， 2000.6 [14] 朱慶華，孤島工作面開采淺探[[J]，礦山壓力與頂板管理，N0.3 1997 [15] 李科舉等，孤島工作面松軟破碎頂板的控制[J]，礦山壓力與頂板管理，No.2 [16] 馬慶云，采場支承壓力分布規(guī)律及其發(fā)展規(guī)律[[J]，煤，No.5 1996 [17] 趙經徹，關于綜放開采的巖層運動和礦山壓力控制問題，巖石力學與工程學報，1997 [18] 劉鴻文等材料力學，高等教育出版社[MI, 2004 [19] 許家林等，巖層控制關鍵層理論的應用研究與實踐[fJ]，中國礦業(yè)，Vol 10 No.6, 2001 [20] 竇林名等，堅硬頂板對沖擊礦壓危險的影響分析[[J]，煤礦開采，Vol 8 No.2, 2003 [21] 繆協(xié)興等，，采動巖體的關鍵層理論研究新進展[[J]，中國礦業(yè)大學學報，Vol 29 No. l2000 [22] 聞吉太等，“孤島’，綜采放頂煤工作面礦壓預測預報[[3]，中國礦業(yè)大學學報，Vol.25 No.41996 [23] 呂錫田，63 101“孤島”綜放工作面綜合防滅火治理研究[J]，山東煤炭科技，No.l 1995 [24] 邵光宗等，63上01“孤島”綜放面的礦壓觀測研究[[J]，煤礦開采，增刊，1996 [25] 繆協(xié)興等，，采動巖體的關鍵層理論研究新進展[[J]，中國礦業(yè)大學學報，Vol 29 No. l200