老顶初次来压时工作面底板破坏深度研究

２００８

煤炭科技

ＣＯＡＬＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＭＡＧＡＺＩＮＥ

６１

文章编号：１００８－３７３１（２００８）０１－００６１－０５

老顶初次来压时工作面底板破坏深度研究

张有朝１，吴秀仪２，刘长武２，曾德建２（１．河北金牛能源股份有限公司东庞煤矿，河北邢台

０５４０２１；２．四川大学水利水电学院，四川成都６１００６４）

摘要：老顶初次来压是一种十分剧烈的矿山压力显现现象，多数情况下，工作面来压最猛烈、最难控制的是老顶的初次来压。初次来压前后，工作面端部底板是破坏深度较大处，对底板存在承压含水层的煤层也是易发生透水的危险地段。应用弹塑性理论进行分析，建立了计算底板最大破坏深度的理论公式，并提出了初次来压时预防底板突水的措施，可供开采受底板承压水威胁的煤层时借鉴。

关键词：初次来压；底板破坏；突水；弹性理论中图分类号：ＴＤ３２７

文献标识码：Ａ

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｌｏｏｒｄａｍａｇｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｄｕｒｉｎｇｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｏｏｆ

ＺＨＡＮＧＹｏｕ－ｃｈａｏ１，ＷＵＸｉｕ－ｙｉ２，ＬＩＵＣｈａｎｇ－ｗｕ２，ＺＥＮＧＤｅ－ｊｉａｎ２

（１．ＤｏｎｇｐａｎｇＣｏａｌＭｉｎｅ，ＨｅｉｂｅｉＪｉｎｎｉｕＥｎｅｒｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ，Ｘｉｎｇｔａｉ０５４０２１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｉｒｓｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇｏｆｔｈｅｍａｉｎｒｏｏｆｉｓｔｈｅｖｅｒｙｆｉｅｒｃｅｇｒｏｕｎｄｂｅｈａｖｉｏｕｒ．Ｉｎｍａｎｙｃａｓｅｓ，ｔｈｅｆｉｒｓｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇｉｓｔｈｅｖｅｒｙｆｉｅｒｃｅａｎｄｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｉｒｓｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇ，ｃｏａｌ

ｆｌｏｏｒｄａｍａｇｅｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｅｎｄｉｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅｓｉｔｅａｎｄｔｈｅｈａｚａｒｄｏｕｓｌｏｃａｔｉｏｎｔｈａｔｏｃｃｕｒｗａｔｅｒｂｕｒｓｔｉｎｇｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｓｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｔｈｅｏｒｙｔｏａｎａｌｙｓｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｏｒｙｅｑｕａｔｉｏｎｔｈａｔｃａｎｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｃｏａｌｆｌｏｏｒｄａｍａｇｅｄｅｐｔｈ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｈｉｃｈｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｒｕｓｈｏｆｃｏａｌｆｌｏｏｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｉｒｓｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔｈａｓｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｔｏｍｉｎｅｃｏａｌｓａｆｅｌｙｗｈｉｃｈｉｓｍｅｎａｃｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｆｉｎｅｄｗａｔｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｒｓｔｗｅｉｇｈｔｉｎｇ；ｆｌｏｏｒｄａｍａｇｅ；ｗａｔｅｒｂｕｒｓｔｉｎｇ；ｅｌａｓｔｉｃｔｈｅｏｒｙ

随着煤炭开采深度的增加，我国华北型煤田中的许多矿井都不同程度地受到奥灰水的威胁［１］。煤层开采所形成的空间破坏了原始地应力的平衡，改变了围岩应力的分布状态，底板空间围岩的应力集中与卸压造成煤层底板的变形与破坏，使底板导水性发生明显改变［２］。

工作面老顶初次来压是一种十分剧烈的矿山压力显现，多数情况下，工作面来压最猛烈、最难控制的是老顶的初次来压

［３～５］

支承压力的变化导致底板应力场的急剧变化，这个过程对有底板承压水的煤层可能诱发突水事故［６］。因此，掌握底板的变形及破坏特征，正确确定底板采动破坏深度是精确预测底板阻水能力的首要条件，对预防煤层底板突水事故具有十分重要的意义。

１底板破坏最严重的位置

由弹塑性力学理论可知，在矩形空间周围煤岩

初次来压时，支承压力。

的急剧变化将导致采面产生剧烈的矿压显现。由于

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７４０６４）

体中，矩形４个拐角处的切向应力最大［７］；从矿压

６２

煤炭科技２００８年第１期

!２φ＝Ｒｅ（ｚ）－ｙＩｍ（ｚ′）－Ａσ＝ｘ

!２ｙ!２φ＝Ｒｅ（ｚ）＋ｙＩｍ（ｚ′）＋Ａσ＝ｙ

!２ｘ２!φ＝－Ｒｅ（ｚ′）τｘｙ＝

!ｘ!ｙ

（２）

显现的角度分析，煤层开采后，已采地区上方岩层重量将向采空区周围转移，从而在采空区四周形成支承压力带（见图１）。工作面前方形成超前支承压力，而在工作面的两侧形成侧向支承压力；在工作面上述两种支承压力叠加区形成尖峰压力［７，８］。因此，煤层底板破坏最严重的地方是工作面两端的底板，也是突水的危险地段。

工作面

推进方向前支承压力由于支承压力在拐角处重叠而

造成的尖峰压力面前岩石

支承压力

２．１．２周边条件和Ｚ函数

由图２的力学模型可知，其３个边界条件为：（１）ｙ＝０，ｘ＜ａ时，σｙ＝０，即采场上下面无应力作用。

采空区

采空区内底层

载荷的再分布

（２）ｙ＝０，ｘ＞ａ时，σ，且ｘ愈接近ａ，σｙ＞σｙ

愈大，这是因采场边缘存在应力集中现象所致。

（３）ｙ＝０，ｘ→±，σ，即远离采∞时，σσｘ＝λｙ＝σ场应力集中效应消失。

为满足以上的条件，对公式进行求解可得：

图１工作面周围支承压力分布示意

２

２．１

工作面端部破坏深度计算

工作面端部煤体应力

工作面开采后，在煤岩体垂直剖面上形成矩形

γＨＬｘｃｏｓθ１－ｓｉｎθｓｉｎ３θ－σｘ＝

２ｒ２２２（１－λ）γＨ

#（）γＨσｙ＝２ｘｙ

空间。由于煤层开采厚度比开采宽度小得多，所以可将采场假设为图２所示的力学模型，其中开采宽度为Ｌｘ＝２ａ，在采场远处受原始应力σ＝γＨ及侧向应力γσ的作用。

#ＨＬτ＝γ

２#ｒＬｘｃｏｓθ１＋ｓｉｎθｓｉｎ３θｒ２２２ｘ

（）（３）

ｃｏｓθｓｉｎθｃｏｓ３θ

２２２从上式可知，采场的开采宽度越大，工作面周围的应力集中程度越高［１０］。

２．２采场端部岩体破坏计算

由弹性力学理论可知，求解主应力的公式［１０］，

σｘ＋σｙ

σ±１，σ２＝

２σ－σ）＋τ（#２ｘ

ｙ

２

ｘｙ

（４）

将式（３）代入式（４），由图２的力学模型可知，应力函数可简化为平面应力问题，即：σ３＝０。因此可得采场边缘的主应力：

图２

工作面应力计算力学模型

２．１．１应力函数

γＨσ１＝

２２

为了求解模型中的应力场，首先应选定应力函数。可采用Ｗｅｓｔｅｒｇａｒｄ应力函数，该应力函数法是解析法中最简单的一种［９］。Ｗｅｓｔｅｒｇａｒｄ取一复变函数

#ＨＬσ＝γ

２#ｒσ３＝０

Ｌｘｃｏｓθ１＋ｓｉｎθ

ｒ２２ｘ

（（））（５）

ｃｏｓθ１－ｓｉｎθ

２２Ｚ（ｚ）组成Ａｉｒｙ（艾雷）应力函数，并在此函数上增加一

项，得：

采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则，即

φ＝Ｒｅ（ｚ）＋ｙＩｍ（ｚ）＋Ａ（ｘ２－ｙ２）

２式中

——对ｚ的一次积分；ｚ———对ｚ的二次积分；ｚ—σ１－ｋσ３＝Ｒｃ

（１）

式中

（６）

Ｒｃ——岩石抗压强度；

ｋ＝１＋ｓｉｎφ０，其中φ０为岩石内摩擦角。

１－ｓｉｎφ０

将式（５）代入式（６），可得采场边缘破坏区的边

——常数。Ａ—根据Ｃａｕｃｈｙ－Ｒｉｅｍａｎｎ（柯西－黎曼）条件可求得应力分量：

界方程为：

２２

Ｌｘｃｏｓ２θ１＋ｓｉｎθｒ＝γＨ２４Ｒｃ２２（）２

（７）

２００８年第１期

张有朝等：老顶初次来压时工作面底板破坏深度研究

６３

当θ时，从上式可得采场边缘水平方向破＝０°坏区的长度ｒ０：

３工程应用

９２０２工作面为东庞北井的首采工作面，埋深为

ＨＬｘ

ｒ０＝γ

４Ｒｃ２２

２

（８）

由式（７）可绘出采场边缘由于应力集中造成的破坏区的形状（见图３）。

１．０

采场

底板至奥灰顶界面的距离为３１～２６５．８ｍ。３６ｍ，矿

区奥灰水位标高＋４５～＋７５ｍ，底板隔水层承受奥灰水压１．９６～２．６０ＭＰａ。９２０２面走向长４５０ｍ，倾斜长７５ｍ，煤层为近水平。直接底板普遍为泥岩，偶见砂质泥岩；老底主要由泥岩、粗砂岩、细砂岩、泥炭岩组成。底板岩石力学参数如表１所列。

表１

底板岩石力学参数

厚度／ｍ

抗压强度／ＭＰａ

１．０

岩层名称泥岩细砂岩泥岩

４．９３１．６７１．５０１．６４１１．１５８．４０

１５．０１１．７１５．０３５．０１１．７６９．５

图３采场煤体边缘区破坏形态粗砂岩细砂岩粗砂岩

现求解开采层边缘下方底板岩体最大破坏深度。通过图３可知，垂直于开采层的岩体破坏深度ｈ为：

ｈ＝ｒｓｉｎθ

即：

２

２

（９）

３．１３．１．１

初次来压前底板应力分布与破坏深度初次来压前底板应力分布

由于煤层埋深较浅，且地质构造简单，可把煤层

ＨＬｘｃｏｓ２θ１＋ｓｉｎθｓｉｎθ（１０）ｈ＝γ

４Ｒｃ２２将上式对θ求一阶导数，并令ｄｈ＝０，经整理

ｄθ２

２２

Ｌｘ

ｈｍ＝１．５７ｒＨ２４Ｒｃ

（）应力计算：的应力场近似看作静水应力场，即λ＝１。

后可得到采场边缘底板岩体最大破坏深度ｈｍ为：

（１１）

γＨσｙ＝

２!Ｌｘｃｏｓθ１＋ｓｉｎθｓｉｎ３θｒ２２２（）（１４）

其中：γ≈２．６ｔ／ｍ３；Ｈ＝２６５．８ｍ；Ｌｘ为工作面开采宽度，Ｌｘ＝７５ｍ。把各参数代入式（１４）便可计算应力。表２是θ时垂直应力σ＝０°ｙ在不同ｒ处的应力计算表。

表２

ｒ／ｍ０．５０．７０．９１．２１．６２２．５３３．５

从上式可知，底板岩体最大破坏深度与工作面开采宽度成线性关系，并同岩体原始应力与岩体抗压强度之比成平方关系。

由图３的几何关系可求得岩体最大破坏深度距工作面端部的距离Ｌｍ为：

２２

ＬｘＬｍ＝Ｌｍｃｏｔθ＝０．４２ｒＨ２４Ｒｃ

初次来压前σｙ应力计算

ｒ／ｍ４．０７５７９１１１４１７１８１８．８

σｙ／ＭＰａ１４．５５１３．１３１１．０１９．７９８．８５７．８５７．１１６．９１６．７７

σｙ／ＭＰａ４１．５２３５３０．９４２６．８２３．２２０．７６１８．５７１６．９５１５．７

（１２）

２．３初次来压时的最大破坏深度

底板岩体的破坏深度不但同开采深度、直接顶

厚度、采高、煤层倾角、工作面尺寸，以及顶板岩性与结构等有关，而且同采场矿压、矿压显现剧烈程度及底板特征有关。工作面初次来压是一种十分重要的矿山压力显现。由于工作面初次来压猛烈，难控制，因此对工作面端部底板破坏深度的影响较严重。

设ｎ为初次来压强度系数（根据现场实测获得），则可得初次来压时底板破坏最大深度的计算公式为：

２２２

ｈｍ＝１．５７ｎｒ２ＨＬｘ４Ｒｃ２２２

ｈｍ＝０．４２ｎｒ２ＨＬｘ

４Ｒｃ

由表２可知，在工作面边缘处出现了应力集中现象。０．５≤ｒ≤４ｍ区域为应力集中高峰区，应力集中系数可达２～６，越靠近工作面边缘应力集中系数越大，在ｒ＝０．５ｍ时应力高达４１．５２ＭＰａ，应力集中系数约为７。由于岩体集中应力超过了其抗压强度１４．５４ＭＰａ，岩石发生破坏，破坏边界区域为０≤

（１３）

ｒ≤４．０７ｍ；在４≤ｒ≤１８．８ｍ时，随着岩体远离工作

面，受回采影响逐渐减小，应力集中现象逐渐减弱，

６４

煤炭科技２００８年第１期

在ｒ＝１８．８ｍ时，岩体垂直方向的应力降至为原岩应力γＨ（γＨ＝６．７７ＭＰａ）。因此，工作面端部受回采影响的水平范围约为１９ｍ。

由表３可知：工作面初次来压时，由于矿压显现剧烈，在工作面边缘处出现的应力集中现象更严重，影响范围更大。在０．５≤ｒ≤９ｍ时，应力集中值最大，由于初次来压的影响，应力集中系数约为２～９。

３．１．２初次来压前的最大破坏深度

２２

γＨＬｘｃｏｓ２θ１＋ｓｉｎθｒ＝２４Ｒｃ２２（）２

（１５）

在ｒ＝０．５ｍ时应力高达６０．０２ＭＰａ，应力集中系数约为９。由于岩体集中应力超过了其抗压强度

式中Ｒｃ可采用权重的办法来获得

［１１］

，计算公式如下：

１４．５４ＭＰａ，岩石发生破坏，破坏边界区域为０≤ｒ≤８．５６ｍ时；在８．５６≤ｒ≤３９．５ｍ时，随着岩体远离工

作面，受回采的影响逐渐减小，应力集中逐渐减弱；在ｒ＝３９．５ｍ时，岩体垂直方向的应力降至原岩应力γＨ。因此，工作面端部受回采影响的范围约为

Ｒｃ＝

!ｈＲ

ｉ

ｉ＝１

ｎ

ｎ

ｉ

（１６）

!ｈ

ｉ＝１

ｉ

把表１中的参数代入式（１６）得：

３９．５ｍ。３．２．２

初次来压时的最大破坏深度

受工作面初次来压影响，工作面端部底板岩体

Ｒｃ＝

ｉ＝１

ｎ

!ｈＲ

ｉ

ｎ

ｉ

＝１４．５４４９ＭＰａ的最大破坏深度为１３．４５ｍ，距离工作面约为３．６０

!ｈ

ｉ＝１

ｉ

ｍ。

把各参数代入式（１１）、（１２），可得工作面端部底板岩体最大的破坏深度及离工作面的距离：

２２

１．５７γＨＬｘ＝６．４０ｍｈｍ＝２４Ｒｃ２２

Ｌｍ＝０．４２γ２ＨＬｘ＝１．７１ｍ

４Ｒｃ

４结论

（１）煤层开采后，已采空地区上方岩层重量将向采空区周围的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力带，工作面端部由于超前支承压力和侧向支承压力叠加而形成尖峰压力。因此，煤层底板破坏最严重的地方是工作面两端的底板。

（２）利用弹性力学及岩石力学理论推导出初次来压前后煤层底板的应力分布函数及最大破坏深度。

（３）从对邢台某煤矿首采工作面进行的分析研究可知，初次来压前工作面边缘处应力集中系数为

在初次来压前，工作面端部底板岩体的最大破坏深度为６．４０ｍ，距工作面约１．７１ｍ。

３．２初次来压时底板应力分布与破坏深度当工作面初次来压时，根据该矿大量的矿压资

料可知初次来压强度为１．２～１．４５，考虑安全因素，取来压强度１．４５对初次来压时的底板破坏深度进行计算。

７，由于回采影响工作面端部在水平范围约１９ｍ，底板岩体的最大破坏深度为６．４０ｍ，距工作面约１．７１ｍ；初次来压时由于矿压显现剧烈，工作面边缘的应力集中现象更剧烈，集中系数高达９，水平影响范围约为３９．５ｍ，工作面端部底板岩体的最大破坏深度为１３．４５ｍ，距工作面约３．６０ｍ。

参考文献：［１］

孔凡平．影响煤层底板导水破坏深度相关因素分析［Ｊ］，中州煤炭，２００３，（４）：１３．［２］［３］［４］［５］

冯启言．煤层开采底板破坏深度的动态模拟［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９８，（３）：７１．

黄庆享．采场老顶初次来压的结构分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９８，１７（５）：５２１．

王作棠．老顶初次来压步距的计算预测法［Ｊ］．中国矿业大学学报，１９８９，１８（２）：９～１７．

缪协兴．采场老顶初次来压时的稳定性分析［Ｊ］．中国矿

３．２．１初次来压时的底板应力分布

初次来压时的应力函数如下：

ｎγＨσｙ＝

２计算表。

\"Ｌｘｃｏｓθ１＋ｓｉｎθｓｉｎ３θｒ２２２（）（１７）

表３是θ时垂直应力σ＝０°ｙ在不同ｒ处的应力

表３

ｒ／ｍ０．５０．７０．９１．２１．６２３

６０．２５０．８８４４．８７３８．８６３３．６６３０２４．５８

初次来压时σｙ应力计算

ｒ／ｍ４６８．５６１７２３３５３９．５

σｙ／ＭＰａ２１．２８１７．３８１４．５５１０．３２８．８８７．２６．７７

σｙ／ＭＰａ

６５

文章编号：１００８－３７３１（２００８）０１－００６５－０３

班组安全网络建设在煤矿安全管理中的实践张琦，许国涛，吕健全（郑煤集团公司超化煤矿，河南郑州４５２３８５）摘要：介绍了班组安全网络建设的内涵及创建目标，重点论述了班组安全网络建设在安全

管理中的实践，以及取得的重大成效。

关键词：班组安全网络；自保；互保；联保；安全管理中图分类号：ＴＤ７９＋１

文献标识码：Ｂ

班组是企业进行各种生产经营活动的最基本单位，班组的安全管理是企业安全管理的基础和核心。企业的安全管理通过班组的安全生产得以实现，并接受具体实践的检验。加强班组的安全建设，抓好班组的安全管理，实现个人无违章，岗位无隐患，班组无事故，才能真正实现矿井安全生产。２００７年７月以来，郑煤集团公司超化煤矿在学习借鉴兄弟单位成功经验的基础上，不断探索班组管理新方法，创新活动载体，构建网络体系，全面推进班组安全网络建设，使全矿的安全管理工作取得了显著成效。

职工、每个岗位都能严格遵守煤矿“三大规程”，提升矿井安全管理水平，超化煤矿以原有的班组编制和相同作业地点（即相同岗位）各班次人员组成为主要依据，每６～１２人划为一个安全小组，每个小组在区队的统一领导下，有一定的自由和独立活动空间。这样层层划分，在全矿范围内建立了从矿到队、从队到班、从班到组、从组到人的层层互管体制，形成了成员保小组、小组保大班、大班保区队、区队保全矿的安全联保网络体系。这个层层互管、覆盖全矿井的安全联保网络体系就是一个矿井的班组安全网络。

开展“班组安全网络建设”活动，总体目标是健全、完善矿井安全管理网络体系，激发职工参与安全管理的积极性，从根本上杜绝“三违”现象，实现“从我做起，安全无事故”的目标，建立矿井安全生产的长效机制，确保矿井安全形势持续稳定，为实现企业良性发展提供可靠保证。

１班组安全网络建设的内涵及目标

为了强化职工的安全意识，提高职工学习安全

技术知识的积极性，形成安全“自保、互保、联保”机制，达到职工“相互监督、相互促进”的目的，使每个