不同开采条件下采动力学行为研究_谢和平
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放顶煤是厚煤层高产高效开采的最有效方式之 一［13 － 14］。
放顶煤开采主要采取沿煤层的底板或煤层某一 厚度范围内的底部布置一个采煤工作面，利用矿山压 力的作用或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体
第7 期
谢和平等： 不同开采条件下采动力学行为研究
1069
后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出（ 图 3a） 。 岩的扰动范围大，超前支承压力峰值位置前移，且应 与厚煤层分层开采相比，放顶煤开采对工作面采场围 力集中系数较高（ 表 2） 。
面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件，据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行
为的实验研究。通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平
应力，获得了 3 种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数，以及不同开采
条件下煤体破坏时的支承压力、水平应力、变形等的差异，同时揭示了工作面前方煤体的采动力学
煤矿
山西 王庄矿［10］
安微 新集二矿［11］
济宁 三号煤矿［12］
工作面
无煤柱 分层综采
E1804
图 2 无煤柱开采布置及支承压力分布规律 Fig. 2 Layout of non-pillar mining and its typical abutment pressure
表 1 无煤柱开采支承压力参数 Table 1 Abutment pressure parameters for non-pillar mining
Abstract： By summing up a property of the abutment pressure at long-wall coal face under three typical mining layouts，i． e． ，top-coal caving，non-pillar mining and protected coal seam mining，some general mining-induced mechanical characteristics such as magnitude and location of peak stress of abutment pressure were proposed． Furthermore，a stress state of coal in the front of mining face was suggested to determine the loading and unloading parameters for a laboratory study subjected to different mining layouts． The vertical stress（ i． e． ，an abutment pressure） and the horizontal stress of coal in the front of long-wall mining face were simulated by increasing the axial stress and decreasing the confining pressure simultaneously in a conventional triaxial compression test． As a result，a mining-induced mechanical behavior such as stress-strain curves and peak stresses as well as the differences of vertical stress，horizontal stress and deformation of coal samples among three typical mining layouts are obtained． Additionally，a relation between the mining-induce mechanical behavior of coal in the front of coal mining face and typical mining layouts is suggested． Key words： mining layout； mining-induced mechanics； top-coal caving； non-pillar mining； protected coal seam mining
采动力学常指由于采动引起上覆岩层大范围移 动和应力重分布，特别是工作面前方煤岩体的承载应 力变化。长期以来，采煤工作面周围尤其是工作面前 方支承压力分布规律的研究一直是采矿工程学科研 究的核心内容，也是工作面顶板控制和顶板管理的基 础。事实上，在不同开采方式下，工作面前方煤岩体
经历了从原岩应力、轴向应力（ σ1 － σ3 ） 升高而围压 （ σ3） 递减（ 卸载） 到破坏卸荷的完整采动力学过程。 支承压力（ strata pressure） 的概念提供了开采过程中 煤岩体所处的采动力学环境条件，对工作面与巷道支 护阻力选择、防止顶板冒落等发挥了重要作用。但如 何将支承压力概念用于对应分析工作面前方煤岩单
（ 1． College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering，Sichuan Univeristy，Chengdu 610065，China； 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology（ Beijing） ，Beijing 100083，China）
行为与开采条件的关系。
关键词：开采条件； 采动力学； 放顶煤开采； 无煤柱开采； 保护层开采
中图分类号：TD325
文献标志码：A
Mining-induced mechanical behavior in coal seams under different mining layouts
XIE He-ping1 ，ZHOU Hong-wei2 ，LIU Jian-feng1 ，GAO Feng2 ，ZHANG Ru1 ，XUE Dong-jie2 ，ZHANG Yong2
因此，在煤岩假三轴实验过程中模拟和再现工作 面前方煤岩体所经历的完整支承压力变化过程，不仅 可更好地揭示在开采引起的采动力学条件下煤岩体 的变形破坏规律，而且可以考虑不同开采条件下工作 面前方煤岩体的变形破坏引起的差异和特征，并可以 使实验过程更具针对性、实验结果更有借鉴意义和参 考价值。在 此 前 提 下，如 何 根 据 支 承 压 力 的 共 性 特 征，在三轴实验中模拟峰值点应力大小、轴向和横向 应力比例，就成了必须面对的关键问题。本文正是在 这一思路下，根据深部开采所处的应力环境，提炼出 无煤柱开采、放顶煤开采与保护层开采 3 种典型开采 布置条件下矿山压力的个性特征，以确定三轴实验中 煤岩体的峰值应力大小、轴向 － 横向应力比例等关键 参数，从而在三向等压条件下，通过升高轴向应力的 同时降低围压的方式来模拟铅垂应力和水平应力的 变化，进一步针对性地实现 3 种典型开采条件下工作 面前方煤岩体的采动力学行为研究。
1 不同开采条件下支承压力规律分析
长壁工作面开采将引起上覆岩层大范围移动和 岩层应力重分布。采动过程中上覆岩层大范围移动 在有限空间制约下，形成了不同形式的结构模式，产 生了各种假说，其中比较著名的假说如悬臂梁假说、 铰接岩块假说、预生裂隙假说等等，无疑对认识工作 面矿压 显 现 规 律 起 到 了 十 分 重 要 的 作 用。 钱 鸣 高 等［1 － 2］提出的砌体梁模型以及关键层理论，在国内外 产生了重要影响，不仅使我国的采场矿压研究在国际 上占有了重要地位，而且对 20 世纪 80 年代我国全面 推广综合机械化开采产生了积极而深远的影响。
1068煤炭学报源自2011 年第 36 卷元体的真正采动引起的受力状态、并进一步进行针对 性的理论分析和实验研究，国内外学术界尚未涉及。 目前有关煤岩体力学的基本理论均是根据岩石力学 假三轴实验（ CTC Test： Conventional Triaxial Compression Test） 获得的全应力应变曲线，来分析和描述煤 岩体的基本力学行为和损伤破坏过程，这仅属于煤岩 体材料层面的本征力学行为，并不能代表煤岩体在采 动过程中的力学行为，即采动力学行为。因此要研究 深部开采下的煤岩体变形破坏规律和力学行为，则必 须探索深部开采导致的应力状态下煤岩体单元的受 力环境和条件，以便针对性地开展煤岩体的采动力学 实验，使得煤岩体的实验结果能真正对应不同开采方 式条件下的采动力学行为。
图 1 长壁工作面周围支承压力分布 Fig. 1 Abutment pressure distribution
around long-wall coal mining face
1. 1 无煤柱开采支承压力分布规律 无煤柱开采是在开采中取消隔离采空区煤柱或
在巷道与采空区之间留设小煤柱的一种采区布置方 式［8 － 9］。实施无煤柱开采，使得工作面与工作面之间 由于取消了煤柱，则相邻采空区的支承压力将转移到 工作面前方煤岩体上（ 图 2） ，产生走向支承压力与倾 向支承压力的叠加，导致支承压力峰值有所增加（ 表 1，其中 f 为硬度系数，全文同） 。 1. 2 放顶煤开采支承压力分布规律
收稿日期：2011 － 06 － 20 责任编辑：王婉洁 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ 973） 资助项目（ 2011CB201201） ； 国家科技支撑计划资助项目（ 2008BAB36B07） ； 国家自然科学基金
资助项目（ 50674092） 作者简介：谢和平（ 1956—） ，男，湖南双峰县人，中国工程院院士。E － mail： xiehp@ scu. edu. cn
工作面周围支承压力是上覆岩层结构及动态演 化过程的综合体现，与上覆岩层的分层力学性质和几 何特性有关，国内外一些学者深入探讨了某些具体条
件下煤层上压力的分布规律，揭示了煤层厚度、强度、 及开 采 深 度 等 因 素 对 支 承 压 力 大 小 及 分 布 的 影 响［3 － 7］。尽管支承压力分布规律各不相同，尤其是峰 值大小、峰值点位置随开采条件的不同而变化明显， 但其共性特征也十分显著，即随着工作面开采范围的 增加，作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态开 始增大，当峰值应力超过煤体强度极限后，煤体中的 支承压力逐渐减小至残余应力（ 图 1） ，形成了一个完 整的时空 演 化 过 程。 更 大 范 围 内，支 承 压 力 峰 值 大 小、峰值位置及其时空演化过程与工作面布置、开采 方法密切相关。本文从煤炭资源安全高效绿色开采 角度选取了 3 种工作面布置或工作面回采方式，即以 无煤柱开采为代表的采煤工作面采动应力叠加状态、 以放顶煤开采为代表的单一采煤工作面采动应力状 态、以保护层开采为代表的卸压开采采动应力状态， 以此作为高效开采、绿色开采和安全开采模式的典型 代表，来分析其支承压力分布的共性特征。
（ 1. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 2. 中国矿业大学（ 北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）
摘 要：通过分析 3 种典型开采条件下（ 放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采） 工作面支承压力
分布规律，揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征，获得工作
第 36 卷第 7 期 2011 年 7 月
煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
文章编号：0253 － 9993（2011）07 － 1067 － 08
Vol． 36 No． 7 July 2011
不同开采条件下采动力学行为研究
谢和平1 ，周宏伟2 ，刘建锋1 ，高 峰2 ，张 茹1 ，薛东杰2 ，张 勇2
放顶煤开采主要采取沿煤层的底板或煤层某一 厚度范围内的底部布置一个采煤工作面，利用矿山压 力的作用或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体
第7 期
谢和平等： 不同开采条件下采动力学行为研究
1069
后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出（ 图 3a） 。 岩的扰动范围大，超前支承压力峰值位置前移，且应 与厚煤层分层开采相比，放顶煤开采对工作面采场围 力集中系数较高（ 表 2） 。
面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件，据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行
为的实验研究。通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平
应力，获得了 3 种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数，以及不同开采
条件下煤体破坏时的支承压力、水平应力、变形等的差异，同时揭示了工作面前方煤体的采动力学
煤矿
山西 王庄矿［10］
安微 新集二矿［11］
济宁 三号煤矿［12］
工作面
无煤柱 分层综采
E1804
图 2 无煤柱开采布置及支承压力分布规律 Fig. 2 Layout of non-pillar mining and its typical abutment pressure
表 1 无煤柱开采支承压力参数 Table 1 Abutment pressure parameters for non-pillar mining
Abstract： By summing up a property of the abutment pressure at long-wall coal face under three typical mining layouts，i． e． ，top-coal caving，non-pillar mining and protected coal seam mining，some general mining-induced mechanical characteristics such as magnitude and location of peak stress of abutment pressure were proposed． Furthermore，a stress state of coal in the front of mining face was suggested to determine the loading and unloading parameters for a laboratory study subjected to different mining layouts． The vertical stress（ i． e． ，an abutment pressure） and the horizontal stress of coal in the front of long-wall mining face were simulated by increasing the axial stress and decreasing the confining pressure simultaneously in a conventional triaxial compression test． As a result，a mining-induced mechanical behavior such as stress-strain curves and peak stresses as well as the differences of vertical stress，horizontal stress and deformation of coal samples among three typical mining layouts are obtained． Additionally，a relation between the mining-induce mechanical behavior of coal in the front of coal mining face and typical mining layouts is suggested． Key words： mining layout； mining-induced mechanics； top-coal caving； non-pillar mining； protected coal seam mining
采动力学常指由于采动引起上覆岩层大范围移 动和应力重分布，特别是工作面前方煤岩体的承载应 力变化。长期以来，采煤工作面周围尤其是工作面前 方支承压力分布规律的研究一直是采矿工程学科研 究的核心内容，也是工作面顶板控制和顶板管理的基 础。事实上，在不同开采方式下，工作面前方煤岩体
经历了从原岩应力、轴向应力（ σ1 － σ3 ） 升高而围压 （ σ3） 递减（ 卸载） 到破坏卸荷的完整采动力学过程。 支承压力（ strata pressure） 的概念提供了开采过程中 煤岩体所处的采动力学环境条件，对工作面与巷道支 护阻力选择、防止顶板冒落等发挥了重要作用。但如 何将支承压力概念用于对应分析工作面前方煤岩单
（ 1． College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering，Sichuan Univeristy，Chengdu 610065，China； 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining，China University of Mining and Technology（ Beijing） ，Beijing 100083，China）
行为与开采条件的关系。
关键词：开采条件； 采动力学； 放顶煤开采； 无煤柱开采； 保护层开采
中图分类号：TD325
文献标志码：A
Mining-induced mechanical behavior in coal seams under different mining layouts
XIE He-ping1 ，ZHOU Hong-wei2 ，LIU Jian-feng1 ，GAO Feng2 ，ZHANG Ru1 ，XUE Dong-jie2 ，ZHANG Yong2
因此，在煤岩假三轴实验过程中模拟和再现工作 面前方煤岩体所经历的完整支承压力变化过程，不仅 可更好地揭示在开采引起的采动力学条件下煤岩体 的变形破坏规律，而且可以考虑不同开采条件下工作 面前方煤岩体的变形破坏引起的差异和特征，并可以 使实验过程更具针对性、实验结果更有借鉴意义和参 考价值。在 此 前 提 下，如 何 根 据 支 承 压 力 的 共 性 特 征，在三轴实验中模拟峰值点应力大小、轴向和横向 应力比例，就成了必须面对的关键问题。本文正是在 这一思路下，根据深部开采所处的应力环境，提炼出 无煤柱开采、放顶煤开采与保护层开采 3 种典型开采 布置条件下矿山压力的个性特征，以确定三轴实验中 煤岩体的峰值应力大小、轴向 － 横向应力比例等关键 参数，从而在三向等压条件下，通过升高轴向应力的 同时降低围压的方式来模拟铅垂应力和水平应力的 变化，进一步针对性地实现 3 种典型开采条件下工作 面前方煤岩体的采动力学行为研究。
1 不同开采条件下支承压力规律分析
长壁工作面开采将引起上覆岩层大范围移动和 岩层应力重分布。采动过程中上覆岩层大范围移动 在有限空间制约下，形成了不同形式的结构模式，产 生了各种假说，其中比较著名的假说如悬臂梁假说、 铰接岩块假说、预生裂隙假说等等，无疑对认识工作 面矿压 显 现 规 律 起 到 了 十 分 重 要 的 作 用。 钱 鸣 高 等［1 － 2］提出的砌体梁模型以及关键层理论，在国内外 产生了重要影响，不仅使我国的采场矿压研究在国际 上占有了重要地位，而且对 20 世纪 80 年代我国全面 推广综合机械化开采产生了积极而深远的影响。
1068煤炭学报源自2011 年第 36 卷元体的真正采动引起的受力状态、并进一步进行针对 性的理论分析和实验研究，国内外学术界尚未涉及。 目前有关煤岩体力学的基本理论均是根据岩石力学 假三轴实验（ CTC Test： Conventional Triaxial Compression Test） 获得的全应力应变曲线，来分析和描述煤 岩体的基本力学行为和损伤破坏过程，这仅属于煤岩 体材料层面的本征力学行为，并不能代表煤岩体在采 动过程中的力学行为，即采动力学行为。因此要研究 深部开采下的煤岩体变形破坏规律和力学行为，则必 须探索深部开采导致的应力状态下煤岩体单元的受 力环境和条件，以便针对性地开展煤岩体的采动力学 实验，使得煤岩体的实验结果能真正对应不同开采方 式条件下的采动力学行为。
图 1 长壁工作面周围支承压力分布 Fig. 1 Abutment pressure distribution
around long-wall coal mining face
1. 1 无煤柱开采支承压力分布规律 无煤柱开采是在开采中取消隔离采空区煤柱或
在巷道与采空区之间留设小煤柱的一种采区布置方 式［8 － 9］。实施无煤柱开采，使得工作面与工作面之间 由于取消了煤柱，则相邻采空区的支承压力将转移到 工作面前方煤岩体上（ 图 2） ，产生走向支承压力与倾 向支承压力的叠加，导致支承压力峰值有所增加（ 表 1，其中 f 为硬度系数，全文同） 。 1. 2 放顶煤开采支承压力分布规律
收稿日期：2011 － 06 － 20 责任编辑：王婉洁 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ 973） 资助项目（ 2011CB201201） ； 国家科技支撑计划资助项目（ 2008BAB36B07） ； 国家自然科学基金
资助项目（ 50674092） 作者简介：谢和平（ 1956—） ，男，湖南双峰县人，中国工程院院士。E － mail： xiehp@ scu. edu. cn
工作面周围支承压力是上覆岩层结构及动态演 化过程的综合体现，与上覆岩层的分层力学性质和几 何特性有关，国内外一些学者深入探讨了某些具体条
件下煤层上压力的分布规律，揭示了煤层厚度、强度、 及开 采 深 度 等 因 素 对 支 承 压 力 大 小 及 分 布 的 影 响［3 － 7］。尽管支承压力分布规律各不相同，尤其是峰 值大小、峰值点位置随开采条件的不同而变化明显， 但其共性特征也十分显著，即随着工作面开采范围的 增加，作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态开 始增大，当峰值应力超过煤体强度极限后，煤体中的 支承压力逐渐减小至残余应力（ 图 1） ，形成了一个完 整的时空 演 化 过 程。 更 大 范 围 内，支 承 压 力 峰 值 大 小、峰值位置及其时空演化过程与工作面布置、开采 方法密切相关。本文从煤炭资源安全高效绿色开采 角度选取了 3 种工作面布置或工作面回采方式，即以 无煤柱开采为代表的采煤工作面采动应力叠加状态、 以放顶煤开采为代表的单一采煤工作面采动应力状 态、以保护层开采为代表的卸压开采采动应力状态， 以此作为高效开采、绿色开采和安全开采模式的典型 代表，来分析其支承压力分布的共性特征。
（ 1. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065； 2. 中国矿业大学（ 北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）
摘 要：通过分析 3 种典型开采条件下（ 放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采） 工作面支承压力
分布规律，揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征，获得工作
第 36 卷第 7 期 2011 年 7 月
煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
文章编号：0253 － 9993（2011）07 － 1067 － 08
Vol． 36 No． 7 July 2011
不同开采条件下采动力学行为研究
谢和平1 ，周宏伟2 ，刘建锋1 ，高 峰2 ，张 茹1 ，薛东杰2 ，张 勇2