第頁沖溝下淺埋煤層開采礦壓顯現規律摘要:為分析在沖溝坡體下淺埋煤層開采時工作面的礦壓特征,本文基于色連礦井沖溝發育地層礦區淺埋煤層的地質條件,采用實地觀測的方法,研究了沖溝下淺埋煤層開采的礦壓顯現基本特征。研究表明:來壓具有明顯的動載現象；頂板來壓的空間分布與來壓過程表現出明顯的“板”破斷形態，初次來壓和周期來壓步距分別平均為35m和10m；快速推進時，工作面壓力明顯減緩，工作面切頂現象也明顯減弱；周期來壓期間頂板破碎嚴重，中部煤壁有片幫及漏頂現象，因此在周期來壓時要采取必要措施來管理好頂板。關鍵詞:淺埋煤層;沖溝;“板”破斷形態;周期來壓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—東勝煤田地處內蒙古南部和陜西北部，已探明儲量達2236億噸，約占全國已探明儲量的1/3，屬世界八大煤田之一，且因可采煤層多、煤層厚、煤質優良而為世人矚目，不僅在我國能源發展戰略中具有重要地位，而且已成為西部大開發乃至全國經濟發展的能源基地。然而與西南煤田相比，西北煤田地表植被稀疏、水土保持能力較弱、地表水蝕嚴重、沖溝縱橫，坡體產狀變化大，地形支離破碎，相對高差有100余米。色連礦井位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，行政區劃隸屬東勝區罕臺廟鎮管轄。具體位置在東勝區政府所在地的西北方向約13km，東南距東勝區最近6.5km。地表屬于沖溝發育地區，即受加速水流的侵蝕而切入地表的溝。由於人類活動、火災或氣候變化使保護土壤的天然植被遭到了破壞，或是由於罕見的暴雨帶來了山洪，都可能造成侵蝕。沖溝侵蝕與局部的強大雷暴雨有密切關系，而與大面積的冬季降水無關。對軟弱巖石，沖溝因向源侵蝕而迅速增長，如果不采取防范措施，就會使大量可耕地遭到破壞。淺埋煤層的開采礦壓顯現規律有關專家及學著已進行了深入的研究，也已總結出了一套完整的淺埋煤層礦壓顯現規律理論系統，而對于沖溝下淺埋的開采，礦壓顯現規律是否和單一的淺埋煤層開采礦壓顯現規律一樣呢？為了解決這一問題，我們利用實地現場觀測的方法，同時結合數學力學理論分析的方法，研究了色連礦井沖溝下淺埋煤層開采礦壓顯現的基本規律。國內外研究現狀2.1研究成果近幾年來，對淺埋煤層巖層移動特征與礦壓顯現規律、保水開采、突水潰沙防治，尤其是對厚風積沙薄基巖的沙基型淺埋煤層的開采做了大量的理論研究和工程實踐，有效地指導了礦山的安全與高效生產，也為地面生態環境建設提供了理論基礎和技術支持。自上世紀90年代初，西安科技大學石平五、侯忠杰和黃慶享等教授以及遼寧工程技術大學孫寶錚教授和馬云東教授等開始對我國西部淺埋煤層開采問題進行研究，從基巖破斷規律、頂板破斷機理及其控制、基巖及上覆巖層結構和來壓規律、頂板支護、采煤方法等不同角度提出了一系列開采理論。中國礦業大學張東升教授帶領的課題組在對淺埋煤層賦存特征進行分類的基礎上，研究了淺埋煤層采動覆巖導水通道分布特征，證明了其可控性，總結出了一套保水開采技術，并根據淺埋煤層基巖厚度及其上覆松散含水層富水性，提出了保水開采基本條件分類。然而，有關淺埋煤層沖溝下開采的理論還尚屬空白。沖溝坡體受工作面開采影響會形成怎樣的結構？不同類型的沖溝坡體對井下開采有何影響？影響程度如何？如何采取有效的控制措施以保證工作面的安全高效生產？盡管已有諸多關于煤層上覆巖層活動規律的科學假說，如已被廣泛接受的砌體梁理論與傳遞巖梁理論等等。但都是基于一般賦存條件，均未涉及地表起伏對覆巖活動規律的影響。隨著西部煤田的大規模開采，在沖溝下開采的情況將越來越多，采用傳統的礦壓理論已經難以適應沖溝發育礦區開采的需要，亟需相應的理論指導來確保礦井的安全高效生產。2.2存在的不足縱觀國內外已有研究成果，主要體現在以下兩個方面：一是淺埋煤層開采的頂板控制；二是坡體滑動規律的分析及地表治理技術及相關巖土工程的監測監控。從淺埋煤層開采頂板控制方面而言，忽略了地表起伏對礦壓顯現的影響，研究成果在沖溝發育礦區的適用性有待于進一步探討；就采動坡體穩定性控制而言，研究的主要目的是從地質災害防治角度，把采動作為誘因之一來分析，從而提供新的治理對策和控制技術，研究的切入點和落腳點是對地表坡體的保護，強調的是采動的不利影響。但反方向的研究，即地表坡體的產狀對井下開采的影響，還沒有相關研究成果。在研究方法方面，盡管已經引入非線性有限元、彈塑性力學、斷裂力學、流變力學及Sarma計算方法，采用物理模擬實驗和數值分析相結合的方法，并且已開始從二維固相向三維固—液耦合方向轉變。但由于地質環境條件及采動巖體結構的復雜性，使得目前的研究還存在較大的局限性，尤其是淺埋煤層采動坡體的離散元分析方面的報道還較為少見，缺乏針對性的研究。此外，不同條件淺埋煤層的礦壓實測成果還不夠豐富，特別是沖溝發育礦區淺埋煤層礦壓顯現規律的實測成果幾乎沒有報道。淺埋煤層采動坡體活動是一個極其復雜的問題，涉及采礦學、地質學、測量學、工程力學、邊坡穩定性控制等多個學科。它不僅和礦井地質條件和采礦方法有關，而且也和坡體的地質地貌條件，上覆巖層的巖性、物理力學性質、厚度、賦存狀態，水文地質條件等密切相關。淺埋煤層沖溝發育礦區地表起伏大，產狀各異，由采動引起的坡體活動方式也不盡相同。已有研究主要集中在采動坡體的滑動（蠕滑）機理、穩定性分析及簡單的附加應力估算等方面，在滑坡機理分析上也只是套用自然滑坡的分析方法，坡體巖塊轉動變形機理及其形成結構對井下開采影響的反作用則沒有進行過研究，還缺乏一套完整的分類體系及控制措施。2.3研究內容與方法2.3.1研究對象特點沖溝，即受加速水流的侵蝕而切入地表的溝。當工作面向著沖溝推進時，稱為向溝開采；反之，即工作面背離沖溝推進時，稱為背溝開采。本文研究的主要對象為沖溝發育礦區淺埋煤層沖溝坡體，它具有如下特點：（1）坡體產狀變化大；（2）部分采動坡體處于三端自由無約束狀態；（3）受采動影響，不同類型的沖溝坡體將會出現不同的活動方式。本文重點研究向溝開采時沖溝坡體不同結構形式的產生條件、影響因素及其對井下礦壓影響的機理。2.3.2研究方法與主要研究內容色連礦區沖溝坡體的活動方式及其控制是一個涉及多學科的研究，本文從頂板結構控制的角度出發，對色連礦井工作面開采現場進行實際現場數據觀測，通過數據分析以及數學力學理論推導，來研究色連沖溝下淺埋煤層的開采礦壓顯現基本規律。地質條件與煤層地質特征3.1礦區煤層地質特征3.1.1地層特征色連礦井位于鄂爾多斯高原東北部，地形總體趨勢是呈北高南低之勢，海拔標高一般在1340—1485m之間。最高點標高為1486.20m；最低點標高為1348.7m。井田內的一般相對高差80m左右。井田屬高原侵蝕性丘陵地貌，大部分地區為低矮山丘，基巖(K1zh)大面積出露，第四系黃土零星分布于山丘之頂，第四系沖洪積分布于溝谷之內，植被稀疏，為半荒漠地區。3.1.2煤層特征區內煤層傾角小，賦存條件較為簡單，從北向南成煤時期逐漸縮短，埋深逐漸減小。礦區北部礦井主要開采石炭系太原組和二迭系下統山西組煤層，南部礦井主要開采侏羅系煤層，主要開采方法為長壁綜采。通過對沖溝發育礦區淺埋煤層地質資料的初步整理分析，結合礦井開采過程中的揭露情況及初步的開采實踐總結，認為對井下開采有影響的沖溝坡體下淺埋2-2上煤層的賦存條件有如下特征：煤層厚度4~5m左右，平均約4.5m，傾角平均2°，賦存條件簡單；基巖厚度較小，一般在170m；基巖中只賦存一層對覆巖運動起控制作用的厚硬巖層，且位于斷裂帶下部或垮落帶內；沖溝切割深度較大；3.1.3淺埋下煤層開采礦壓顯現特征對于淺埋煤層，根據實測，淺埋煤層可分為2種類型：(1)基巖比較薄、松散載荷層厚度比較大的淺埋煤層，其頂板破斷為整體切落形式，易于出現頂板臺階下沉，此類厚松散層淺埋煤層稱為典型的淺埋煤層。可以概括為：埋藏淺，基載比小，老頂為單一關鍵層結構的煤層。(2)基巖厚度比較大、松散載荷層厚度比較小的淺埋煤層，其礦壓顯現規律介于普通工作面與淺埋煤層工作面之間，表現為兩組關鍵層，存在輕微的臺階下沉現象，可稱為近淺埋煤層。總體上，淺埋煤層工作面的主要礦壓特征是老頂破斷運動直接波及地表，頂板不易形成穩定的結構，來壓存在明顯動載現象，支架處于給定失穩載荷狀態。淺埋煤層可以采用以下指標判定：埋深不超過150m，基載比Jz小于1，頂板體現單一主關鍵層結構特征，來壓具有明顯動載現象。頂板基巖沿全厚切落，基巖破斷角較大，破斷直接波及地表。來壓期間有明顯的頂板臺階下沉和動載現象。工作面覆巖不存在“三帶”，基本上為冒落帶和裂隙帶“兩帶”。淺埋煤層工作面頂板一般為單一主關鍵層類型，老頂巖塊不易形成穩定的砌體梁結構。基巖厚度比較大時，會出現兩個關鍵層組，形成大小周期來壓現象，其礦壓顯現特征介于淺埋煤層采場和普通采場之間。基巖與載荷層厚度之比Jz(簡稱基載比)，對來壓顯現有重要影響。當Jz＜0.8時，工作面都出現頂板沿煤壁臺階下沉，而當Jz＞0.8時，則沒有出現頂板臺階下沉。其開采礦壓顯現基本特征如下：（1）淺埋煤層工作面礦壓顯現的突出特點是頂板基巖沿全厚切落,基巖破斷角較大,破斷直接波及地表。來壓期間有明顯的頂板臺階下沉現象,來壓時間短,支架動載明顯。（2）淺埋煤層工作面頂板為典型的單一關鍵層類型,載荷層厚度較大,老頂巖塊不易形成穩定的砌體梁結構。頂板結構沿煤壁失穩形成工作面臺階下沉,頂板沿架后失穩形成新的結構形態。（3）工作面來壓分布為中部大兩端小,根據頂板來壓步距與老頂厚度的關系,頂板破斷呈“厚梁”或“厚板”結構形態。（4）工作面支護狀況對頂板來壓有明顯影響。在一定范圍內合理提高支架工作阻力可以控制頂板臺階下沉。（5）基巖與載荷層厚度之比Jz(簡稱基載比)對來壓強度和顯現特征有重要影響。如表1所示,當Jz<0.8時,工作面都出現了頂板沿煤壁臺階下沉,而當Jz>0.8時則沒有出現頂板臺階下沉。（6）淺埋煤層頂板厚松散載荷層的載荷傳遞有“遲滯”現象,來壓期間載荷層的“載荷傳遞”效應對認識頂板結構穩定性和支架圍巖關系有重要意義。（7）老頂來壓步距與回采速度有關。推進速度愈快,老頂初次來壓步距愈大,其步距基本在20~30m之間。老頂周期來壓步距平均值基本在10.2~12m之間。（8）頂板沿煤壁切落,形成臺階下沉與采高有關。一般采高較高下沉量較大。（9）保持較高的初撐力和工作阻力能夠維持頂板穩定,控制頂板下沉。（10）淺埋煤層工作面頂板為典型的單一關鍵層類型,載荷層厚度較大,老頂巖塊不易形成穩定的砌體梁結構。頂板結構沿煤壁失穩形成工作面臺階下沉,頂板沿架后失穩形成新的結構形態。工作面來壓分布為中部大兩端小,根據頂板來壓步距與老頂厚度的關系,頂板破斷呈“厚梁”或“厚板”結構形態。3.2色連礦井沖溝坡體介紹3.2.1沙土質型坡體對于色連礦井地表的沖溝坡體，借助地質資料，得知色連礦井沖溝坡體上部為第四系風積沙，呈松散狀態，強度較低，易于流動。下部為沙質黃土層。多分布于溝谷兩側，由于受風蝕、水蝕作用的影響，強度降低，一般坡高30～60m，最高達100m左右。自然坡度20～70°不等，在重力作用下易形成剝落、滑塌。滑落體成塊狀及粉末狀，扇形堆積，扇形體坡腳不明顯，滑落面近似直立。沖溝下淺埋煤層礦壓觀測4.1工作面概況根據臨近礦井的開采經驗，色連礦井沖溝下淺埋煤層的開采工作面布置如下：工作面長度280m，推進度2250m，工作面沿傾向推進，2-2上煤層煤厚4~5m，平均4.5m，煤層厚度穩定，傾角平均20，工作面所在2-2上煤層平均埋深170m。本工作面采用傾向長壁采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。4.2礦壓觀測內容4.2.1礦壓觀測內容支架阻力觀測、支架活柱縮量觀測、順槽頂板離層觀測、順槽超前支護范圍內單體液壓支柱阻力觀測以及支護質量動態監測。4.2.2礦壓觀測方法支架阻力觀測（1）人工觀測：專人通過工作面支架立柱壓力表統計各支架的初撐力、工作阻力，準確掌握來壓時間、來壓范圍、壓力值大小、壓力持續時間。（2）用KBJ-60Ⅲ型礦用數字壓力計，由專人定期采集數據，進行分析。（3）采用天地科技股份有限公司生產的CDW-60型支架壓力記錄儀,該儀器可自動存儲記錄數據,其后配套處理軟件可對礦壓數據進行系統分析。沿工作面布置方向共分為3個測站,分別位于工作面的上部(34、35、36號支架)、中部(67、68、69號支架)和下部(92、93、94號支架)，觀測儀器布置方式如圖1。圖1觀測儀器布置方式圖支架活柱縮量觀測用標記法在工作面上、中、下部布置3條觀測線，在移架前后測量活柱下縮量，根據循環的次數，可算出循環下縮量和下縮速度。順槽頂板離層觀測運順、回順每200m安設一臺頂板離層儀，由專人進行觀測。4.3礦壓觀測數據4.3.1數字壓力計表1工作面礦壓觀測數據工作面頂板組成/m來壓步距/m支架阻力（kN/架）臺階下沉/m基巖層載荷層Jz初期周期初撐力工作阻力初次周期212011777.50.22351071409323很小很小注：基載比=基巖厚度/載荷層厚度表221201工作面周期來壓特征表來壓次序來壓步距/m經歷時間/d距切眼距離/m支架平均載荷/bar支架最大載荷/bar第一次周期來壓10345344.6480第二次周期來壓8.5153.5369.14498第三次周期來壓15268.5358.5468第四次周期來壓10．5279346.8465第五次周期來壓15194353.64924.3.2壓力記錄儀圖2、圖3、圖4為工作面35#、68#、93#支架的循環末阻力與工作面推進距離的變化曲線。觀測期間基本頂周期來壓步距統計如表3。圖2工作面上部35#支架循環末阻力與推進距離的關系圖3工作面上部68#支架循環末阻力與推進距離的關系圖4工作面上部93#支架循環末阻力與推進距離的關系表3各支架周期來壓步距工作面位置上部中部下部支架號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總平均/m14.3表4基本頂歷次來壓期間動載系數統計表支架號35#36#67#68#69#92#93#94#平均值周期來壓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總平均1.3工作面礦壓顯現理論分析5.1工作面向溝開采采動特征經觀測，工作面上覆巖層移動特征和常規淺埋煤層開采覆巖移動特征基本相同，即離層、垮落及壓實三個階段。首先，由于沖溝坡體臨空面的存在，使得覆巖在坡體一側的運動約束程度減小，特別是水平方向的運動約束減小，因此，在坡體段上部產生了較為明顯的拉伸裂縫，并隨開采空間的增大而與覆巖縱向裂隙貫通，這就造成失去約束的覆巖較易向采空區傾倒。另一方面，由于受采動影響，覆巖弱面的抗剪強度將逐漸減小，由于沖溝坡體臨空，僅有層面間的摩擦力抵抗附加應力的水平分力，當附加應力的水平分力大于層面間的抗剪力時，坡體巖層將產生向溝方向的水平滑移以釋放附加應力的水平分力。此外，隨著坡體段煤層埋深的變化，覆巖垮落角也在不斷增大，當工作面推進到沖溝底部時，覆巖有整體切落的趨勢。同時，覆巖移動影響的范圍也在不斷增加。通過對觀測數據的分析，可以發現由于在附加應力以及坡體段巖層回轉的雙重作用下，垂直應力變化規律與常規條件下相比有較大不同，垂直應力變化曲線呈現“多峰”特征，除超前支承壓力外，還有兩個明顯的峰值，分析認為是由于地表拉伸裂縫的延伸使坡體段巖層發生傾倒而引起的附加應力的作用，特別是當拉伸裂縫與下覆巖層縱向裂隙貫通后，甚至出現了超過超前支承壓力的峰值，并且穩定后的壓力依然高于原巖應力。而對于溝底處，其所受的附加應力與常規條件下相比，高支承壓力段相對較長，其在穩定后的應力值也高于原巖應力。坡體段的垂直位移變化過程與常規條件下有一定的區別。越靠近沖溝溝底的最大垂直位移量比遠離沖溝溝底的最大垂直位移量小，即越靠近溝底，垂直位移量相對越小。此外，工作面臨近溝底時，受采動坡體整體滑移影響，測點垂直位移有一定的突跳，越靠近溝底，這種現象越明顯。5.2工作面背溝開采采動特征通過對觀測數據的分析，亦可得出：當工作面推過溝坡段后，覆巖移動規律則又恢復了常態。隨著覆巖的彎曲下沉，坡體段多邊塊的逆傾裂縫逐漸開始閉合。如果覆巖與已穩定傾倒塊層面間咬合緊密時，將阻止逆傾裂縫的發育，同時，使裂縫以上巖層不再發生傾倒。背溝推進時各點垂直位移變化曲線與向溝推進時大致相同，靠近溝底的垂直位移量較遠離溝底測的垂直位移量要小。但背溝推進時，由于采動坡體多邊塊結構的周期性傾倒，垂直位移發生突跳的位置不同。5.3支架初撐力分析支架初撐力的大小,對控制頂板下沉和管理頂板有直接關系,因此必須保證足夠初撐力。根據觀測數據分析支架初撐力的實際大小對于評價支架的支護性能具有重要作用。利用觀測儀器的后配套處理軟件將統計時間段內支架初撐力的平均值進行統計分析。工作面觀測支架的平均初撐力為4429kN,約為支架額定初撐力的88%,表明支架實際初撐力基本可以滿足設計要求。支架時間加權平均工作阻力是分析支架工作阻力富余量的重要指標,因此,將工作面支架加權平均阻力分析以“日”為基本單位進行統計。礦壓顯現規律為非來壓期間支架壓力小,來壓期間支架壓力大,周期來壓動載系數大,工作面來壓期間礦壓顯現明顯。支架的平均初撐力為4429kN,約為支架額定初撐力的88%,表明支架實際初撐力基本可以滿足設計要求。支架日加權平均工作阻力的平均值4701kN,占額定工作阻力的69%。基本頂周期來壓動載系數最小1.1,最大1.46,平均1.3;基本頂周期來壓期間工作面上部、中部、下部支架循環末阻力平均值分別占額定工作。5.4巷道觀測分析回風巷內無論是頂底板移近量還是兩幫移近量,其大小并不與測站觀測的距離長短成正比,在測站1的觀測范圍內發生了較劇烈的頂板運動,而此時測站3因距離工作面煤壁較遠而幾乎未受影響,所以觀測距離段最小的測站1的巷道圍巖移近量明顯大于測站2和測站3。運輸巷3個測站的頂底板移近速度和兩幫移近速度隨工作面推進距離的變化規律表明,無論測站距離工作面煤壁遠與近,運輸巷表面圍巖位移速度變化較小,大多維持在3.0mm/h以內。巷道在距工作面前方40m開始收斂,5~15m及小于5m的2個階段頂底板移近速度較快,在其他范圍內巷道高度變化則較為平緩,巷道累計移近量小。圖5巷道頂底板及兩幫移近速度與距工作面煤壁距離的關系錨桿對圍巖的總體作用規律為長時間在初錨力位置附近徘徊,臨近工作面煤壁時托錨力急速上升達到峰值,均存在典型的上升拐點,在距離工作面煤壁平均13m以遠,該數據對巷道超前支護參數的確定具有重要價值。整個觀測期間,錨桿托錨力絕大部分在12kN以下,主要集中在3kN附近,并且錨桿的托錨力波動不大,其中監測到的最大值是在工作面來壓時,為152kN。巷道礦壓觀測結果顯示,工作面采空區上方巖層重量將向采空區周圍新的支承點轉移,從而在采空區四周形成支承壓力帶,使得前方支承壓力遠離工作面煤壁,綜合錨桿和超前支護壓力的分析,支壓力峰值在煤壁前方3~8m。由此可見,該工作面超前支護壓力影響范圍較小,這主要是由于煤層硬度較大,覆巖層整體性較好。支承壓力值不大,故該礦現有的超前支護距離為20m是可行的,巷道礦壓顯現比較緩和,現有巷道維護較好[7]。超前支護壓力分布如圖6所示。圖6超前支護壓力分布5.5砌體梁理論與短砌體梁結構對于采場上覆巖層的運動規律,錢鳴高院士提出了砌體梁理論,該理論已為國內外學者所承認,并得到廣泛應用.在砌體梁理論中,巖塊形成砌體梁結構必須具有一定的水平推力,其推力為:(5-1)式中,li0為第i層老頂懸露巖塊長度;Qi0為第i層老頂懸露巖塊質量;hi為第i層老頂巖層厚度;si0為第i層老頂巖塊下沉量。于是,推出砌體梁結構不發生滑落失穩而保持平衡時應滿足：（5-2）式中,為老頂巖塊間的摩擦角;為巖塊破斷面與垂直面的夾角。根據式(5-1),(5-2),錢鳴高院士提出必須具備2個條件才能保持砌體梁結構的平衡:（1）老頂“巖塊”的長度起碼大于層厚的2倍,即li0>2hi,也即巖塊的塊度i=hi/li0<0.5；（2）老頂分層厚度應大于巖塊下沉量,因為當si0=hi時,砌體梁結構就無法形成。上述關于結構平衡條件的結論無疑是正確的.對于第2個條件,盡管在si0=hi時不存在砌體梁結構,但因為si0的大小與直接頂厚度、開采高度、采空區處理方法(如垮落方法和充填方法)等有關,工作面老頂是否存在砌體梁結構要取決于影響si0的多個因素.對于第1個條件,工作面老頂是否存在砌體梁結構僅取決于老頂的幾何尺寸,即巖塊長度起碼應為層厚的2倍以上,也就是說,砌體梁結構是“長”巖塊結構;或者說,當巖塊的長度小于層厚的2倍時,由于不滿足砌體梁結構平衡的前提條件——幾何尺寸條件,因而就不存在砌體梁結構。5.6老頂砌體梁結構模型根據現場觀測分析以及資料參考，這些工作面形成的鉸接頂梁為“短砌體梁”結構，其模型如圖1。圖7“短”砌體梁結構模型圖中很小，巖塊在采空區的下沉量W1與直接頂厚、采高m及巖石破脹系數有如下關系：（5-3）根據巖塊回轉的幾何接觸關系，巖塊端角擠壓接觸面高度近似為：（5-4）鑒于巖塊之間是塑性鉸接關系，圖7中水平力T的作用點可取0.5a處。5.7“短砌體梁”結構關鍵塊的受力由于老頂周期來壓的受力條件基本一致，可認為L1=L2=L3。在圖中取,并近似認為R2=P2,可得：（5-5）同理對Ⅱ巖塊取：、可得：（5-6）（5-7）由幾何關系，，。根據相關資料，，令老巖塊的塊度，由式（5-5）、（5-6）、（5-7）可求出：（5-8）（5-9）水平力T隨塊度t的增大而減小，隨回轉角的增大而減小。當t=1~1.4時，剪力QA=(0.93~1)P1,工作面上方巖塊的剪切力幾乎全部有煤壁之上的前支點承載。本工作面的周期來壓步距在7~15m，老頂厚12~30m，基巖塊度大部分在1.0~1.4之間，故老頂在煤壁上方的剪切力由煤壁之上的前支點承擔。結論通過理論分析和現場實測，以及對有關資料的分析，得出了沖溝下淺埋煤層開采礦壓顯現的基本規律和顯現特點：來壓具有明顯地動載現象。頂板基巖破斷沿全厚切落，剪切裂隙成為導水通道，造成工作面臺階明顯下沉。由于埋藏淺，沖溝下的載荷層對頂板關鍵層運動的約束比普通頂板條件小，工作面礦山壓力情況與上覆巖層即地表的沖溝有很大的關系。頂板來壓的空間分布與來壓過程表現出明顯的“板”破斷形態，初次來壓和周期來壓步距分別平均為35m和10m。快速推進時，工作面壓力明顯減緩，工作面切頂現象也相應減弱。周期來壓期間頂板破碎嚴重，中部煤壁有片幫及漏頂現象，盡管對回采影響不大，但影響煤質，因此在周期來壓時要采取必要措施管理好頂板。參考文獻[1]王樹海.淺埋深薄基巖較薄煤層開采礦壓顯現規律研究[J].西部探礦工程,2009（10）.147-149.[2]王旭鋒.沖溝發育礦區淺埋煤層采動坡體活動機理及其控制研究[D].徐州:中國礦業大學,2008.[3]黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000.[4]桂祥友,馬云東.淺埋工作面礦山壓力顯現規律模擬研究[J].中國礦業,2004,13(6):69-71.[5]張東升,馬立強.特厚堅硬巖層組下保水采煤技術[J].采礦與安全工程學報,2006,23(1):62-65.[6]劉玉德.沙基型淺埋煤層保水開采技術及適用條件分類[D].徐州:中國礦業大學,2008.[7]戴華陽,翟厥成,胡友鍵.山區地表移動的相似模擬實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2000,19(4):501-504.[8]鐘新春.山體淺埋煤層采場覆巖活動規律研究[D].徐州:中國礦業大學,2007.[9]熊東紅,范建容,盧曉寧.沖溝侵蝕研究進展[J].世界科技研究與發展,2007,29(6):29-35.[10]李鴻昌.礦山壓力的相似模擬實驗[M].徐州:中國礦業大學出版社,1988.[11]宋振騏.實用礦山壓力控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1988.[12]張志文.采場上覆巖層平衡條件的模型研究[J].中國礦業學院學報,1983(4):41-51.[13]王福.淺埋煤層長壁開采礦壓顯現規律[J].內蒙古煤炭經濟,2008(1):38-39.[14]王福.淺埋煤層長壁開采礦壓顯現規律[J].內蒙古煤炭經濟,2008(1):38-39.[15]石平五,侯忠杰.神府淺埋煤層頂板破斷運動規律[J].西安礦業學院學報,1996,16(3):204-207.外文原文：DeterminationoftheoptimalthresholdandlengthmeasurementsforRQDcalculationsWenZhang,QingWang,Jian-pingChenn,ChunTan,Xiao-qingYuan,Fu-junZhouCollegeofConstructionEngineering,JilinUniversity,Changchun130026,ChinaIntroductionTherockqualitydesignation(RQD)isde?nedasthepercentageofascanlineconsistingofspacingvaluesgreaterthanorequalto4in.(100mm)[1].RQDiswidelyusedaroundtheworldasanimportantparameterforrockmassqualityclassi?cation.Thevalueof4in.(100mm)hasnotbeenprovenasthemostreasonablethreshold.Forlayeredrockmasses,therocksurfacespacingsarelargerthan100mm,butusuallynotlargerthan200mm.TheRQDisthen100%,whichisincompatiblewiththeactualrockmassquality.ThegeneralizedRQD,wherethethresholdisanarbitrarypositivevalue[2],isintroducedinactualengineeringpracticestoobtainabetterre?ectionoftheinhomogeneousnatureofrockmasses.Toidentifytheoptimalthresholdvalue,Harrison[3]presentedequationsderivedbyanalyzingfracturefrequencieswithdifferentdistributions,whichcouldexpandtherangeofRQDvalues.Wangetal.[4]havedeterminedtheRQDvalueintheextensiondirectionofatunnelbycomputermodelinginthree-dimensional(3-D)space.TheyhaveinvestigatedthevariationsinRQDvalueswiththechangesinthresholds.Theactualdirectionofascanline(corerun)isvertical.Giventhatarockmassisanisotropic,theRQDvalueofasingleverticalscanlinecouldnotre?ecttheoveralldegreeoftherockmassquality.PriestandHudson[2]havestudiedRQDandproposedarelationshipbetweenthefracturefrequencyandRQDontheassumptionthattheoverallfracturespacingfollowsanegativeexponentialdistribution.SenandKaiz[5,6]havestudiedtheRQDalongascanlinewithanyspeci?corientation,andestablishedarelationshipbetweentheRQDvalueandfracturefrequencyalongthechosenorientation.Chen[7]hasstudiedRQDvaluesalongdifferentscanlinesproducedautomaticallybyacomputerprograminalldirectionsintwo-dimensional(2-D)space.AnRQDissometimesexpensivetoobtain(e.g.,inextremelyhardrockmasses).Therefore,therelationshipsoftheRQDwithrockmassparameters,suchasfracturefrequency,deformationmodulus,volumetricjointcount,andpermeabilitycoef?cient,havebeenestablished[8–13].Snow[12]haspointedoutthattheRQDandfracturefrequencydecreaseswithincreasingdepth.Jiangetal.[13]haveestablishedtherelationshipsoftheRQDwiththevolumetricjointcountandpermeabilitycoef?cientinagraniteregion.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(thestrikesatis?estherighthandrule).(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.Inthe?eld,thesamplingwindowmethodwasappliedtocollectthelocation,occurrence,tracelength,?llingandshapeofeachfracture.Atotalof111fractureswerecollected.Thefracturesetsweredeter-minedusingthemethodproposedbyChen[17](Fig.1)aftertheKulatilakeandWucorrection[18].TheoccurrencesofthefourfracturesetsaresummarizedinTable1.TheFisherconstantwascalculatedtore?ectthedegreeofclustering(preferredorientation)withineachfractureset[19,20].Thesamplingwindowmethodwasusedtocollectthefractureparametersinthe?eld.Inpractice,thesamplingwindowisof?nitesizeandonlyaportionoffracturetraceswithinthewindowcanbemeasured.Therelationamongthefracturesofthesamplingwindowiscomposedofthefollowing:(a)onlyoneendofafracturecanbemeasured,(b)bothendsofafracturecanbemeasured,and(c)noendofafracturecanbemeasured.Therefore,themeasuredtracelengthsareusuallybiased.ThemethodproposedbyKulatilakeandWu[21]wasappliedtocorrectthebiasofthefracturetraces.ThefourfracturesetsallshownGammadistribution.ThecorrectedtracelengthsarelistedinTable1.Table1Modelingparametersofthe?elddata.Thecorrectedtracelengthswerederivedandthediameterofeachfracturesetwascon?rmedaccordingtothemethodproposedbyKulatilakeandWu[22].ThediameterofeachfracturesetshowedGammadistribution,whichisthesameasthatofthetracelength(Table1).2.2FracturenetworkmodelingInthecurrentpaper,theRQDwascalculatedbasedonthe3-Dfracturenetwork.Therefore,theaccuracyofthefracturenetworkplaysanimportantroleinthiscalculation.Basaltsareveryuniquebecausetheydevelopcolumnarjointingand?owtopfractures.However,columnarjointingand?owtopfracturesareveryscarceinthemodelingzone.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)correctionofobservedtracelengthandgoodness?ttingoftheprobabilitydensityfunction[18],(iii)diametersimulationofthediscontinuityandgoodness?ttingoftheprobabilitydensityfunction[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(i?1,2,y,n)isthelengthoftheithpiece;Xisthetotallengthofthecorerun;tisthegeneralizedthreshold,whichcouldbeequaltoanarbitrarypositivevalue;andsgn(x)isthesignfunction,whoseresultis1(whenx40)or-1(whenxo0),respectively.Therefore,ifxiissmallerthant,theithpieceisignoredorsettozero.Otherwise,ifxiisgreaterthant,theithpieceisconsideredforcalculatingRQD.3.2.ScanlinessettingSettingnumerouscorerunsinassigneddirectionsintherockmassisdif?cultorevenimpossible.However,scanlines(insteadofthecorerun)caneasilybesetbasedonthe3-Dfracturenetworksimulationtocarryoutfurtherstudies.Forexample,consideringtheRQDcalculationinthexdirection,?vescanlinegroupsaresetandeachgroupcomprisesthreescanlines(Fig.3).Thescanlinegroupsaresetinthezdirection,andifthestartingpointofthegroupis5m(zcoordinate)andtheendpointis45m,thegroupsshouldbedividedinto?veparts(i.e.,5,15,25,35,and45m).Scanlinesaresetintheydirection,andifthestartingpointofthescanlineis5m(ycoordinate)andtheendpointis35m,thescanlinegroupsshouldbedividedintothreeparts(i.e.,5,20,and35m).Finally,5x3scanlinesaresetmanually.Therockmassisinhomogeneous;thus,thescanlinenumbershouldbesuf?cienttocalculatetheRQDoftherockmass.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,eachscanlinecouldbespeci?edbythecorrespondingserialnumber.Thescanlinesmustnotbesetontheedgeofacuboidbecausethespace(cuboid)shouldbelargeenoughtoaccommodateallfractures.Ifoneofthefracturesisslightlybiggerandlocatedattheedge,thecuboidshouldbelargertoaccommodatethefracture.Therefore,thefracturefrequencyontheedgeshouldbelessthantheaveragevalue.3.3.RQDcalculationAllfracturesoftherockmassarelocat