采场覆岩复合关键层的判别条件
文章编号:1003-5923(2005) 04-0076-02
采场覆岩复合关键层的判别条件
孙振武
1, 2
, 缪协兴, 茅献彪
22
(1. 山东科技大学, 山东青岛266510; 2. 中国矿业大学, 江苏徐州221008)
摘 要:当采场覆岩中存在两层邻近坚硬岩层时, 在一定条件下会形成复合岩层, 整体变形破坏, 其强度和刚度将大大加强, 将对整个采动覆岩变形、破断、移动全过程产生影响。利用现代力学原理, 推导出了两层硬岩中间有一层软弱夹层时, 能形成复合岩层的条件是软弱夹层与硬岩接触面上的剪应力不超过接触面上的抗剪强度, 据此建立了能形成复合岩层的判别公式, 将复合岩层用一等效单一岩层代替, 即可用单一关键层的判别方法判别复合关键层。
关键词:覆岩; 复合关键层; 关键层复合效应中图分类号:T D31 文献标识码:A
1 引言
当采场覆岩中存在两层以上坚硬岩层时, 无论上部或下部坚硬岩层都将对下部或上部坚硬岩层
的采动变形和破断产生影响, 也即对采动覆岩变形、破断、移动全过程产生影响。广义地讲, 这种影响就为两坚硬岩层间的复合效应。这里, 所分析的本相同, 它们之间的软弱夹层与之有明显的差别; ②无论坚硬岩层还是软弱夹层, 它们的厚度为无
[1, 2]
量级差别。2 复合岩层的力学分析
图1 复合岩梁横截面
σ1=σ22=σ2=
E y
ρ
E 22y
(1) (2) (3)
[3]
ρ
E 2y
ρ
。
两坚硬岩层的复合效应类似于复合梁或复合板的复合效应。图1(a ) 为有三层材料组成的矩形截面的复合梁, 假设截面的上下层为坚硬材料, 中间层为软弱材料。其复合效应为:两层坚硬岩层中的软弱层越薄, 则其复合后的抗弯截面模量就越小; 反之, 软弱层越厚, 抗弯截面模量就越大。
假设厚度为h 1, h 2弹性模量为E 1, E 2的两坚硬岩层与厚度为Σh 2弹性模量为E 22的软弱夹层组成的复合岩层, 按复合梁计算, 假设图1所示横截面上的弯矩为M , 根据材料力学原理, 自下而上三个岩层区域的正应力分布规律分别为图1(b )
。
ρ式中 ———复合梁中性层的曲率半径轴的惯性矩分别为
I 1=I 22
h 1
3
取单位宽度的梁计算, 横截面的三部分对中性
12
+h 1(a -h 1)
2
Σh 3Σh 2
Σ(=+h 2h 1+-a ) 122
h 2
3
I 2=
12
+h 2(h 1+
h 2
2
+Σh 2-a )
2
式中 a ———中性轴到横截面下边界的距离。
根据横截面上的静力关系
收稿日期:2005-01-06
作者简介:孙振武
(1964-) , 博士, 副教授, 现在山东科技大学资源与环境工程学院, 从事工程力学方面的教学与研究工作。・76・ 2005. №4 矿山压力与顶板管理
M =
a
E 1
ρ
E 1
I 1+
E 22
ρ
I 22+
E 2
ρ
I 2
a -h 1a
即由此解出
a =
E 1h 1
2
a -h 1
∫ρ
E y d y +∫∫
y d y +
a -h 1
a -h 1
E 22
a -h 1-Σh 2
ρ
1
a -h 1-Σh 2
E 22
∫
y d y +
∫
y d y +
a -h 1-Σh 2
a -h 1-Σh 2a -h 1-Σh 2-h 2
E 2
ρ
y d y =0
a -h 1-Σh 2-h 2
E 2y d y =0
+E 22[h 1
2
-(h 1+Σh 2) ]+E 2[(h 1+Σh 2) -(h 1+Σh 2+h 2) ]
Σh 2+h 2) ]2[E 1h 1+E 22Σh 2+E 2(2
222
(4)
ρ=
E I +E I +E I M M E 1y
E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2
M E 22y E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2M E 2y
E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2
分别代入式(1、2、3) , 得
σ1=σ22=σ2=
(5) (6) (7)
剪强度极限时, 接触面上将产生相对滑移, 三个岩
层将不在形成复合岩层, 因此, 三个岩层形成复合岩层的条件是:在复合岩层破断前, 两接触面上的剪应力不大于接触面上的抗剪强度极限, 即
11τ≤τb 22τ(12) ≤τb
1τ式中 b ———软弱夹层与下位硬岩接触面上的抗
剪强度; τb ———软弱夹层与上位硬岩接触面上的抗
2
横截面上两个硬岩层位上的剪应力分别见图2
。
剪强度。
、强度相同的单一等效岩层代替, 假设等效岩层的弹性模量为E q 。厚度h q =h 1+Σh 2+h 2, 则等效岩层的惯性矩为
图2 复合岩梁横截面上的剪应力
I q =
h 3
12
(13)
τ1=τ2=
Q E 1
刚度等效即在相同弯矩下弯曲的曲率半径相同, 因
此
(a -y )
[(h 1+Σh 2+h 2-a )
2
2
2
2(E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2)
Q E (8) -y ) ](9)
2
ρ=
E I +E I +E I E I =
M M
E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2
I q
(14)
2(E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2)
所以
E q =(15)
下位硬岩及上位硬岩与软弱夹层接触面上的剪应
力分别为
1τ=
Q E 122
[a -(a -h 1) ]
2(E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2)
Q E 2
2
(10)
2
用等效岩层代替复合岩层后, 同其他单一岩层一起进行关键层判别, 如等效岩层符合关键层的条件, 则复合岩层为复合关键层。5 结语
2
τ=
2(E 1I 1+E 22I 22+E 2I 2)
[a -(a -h 1-Σh 2) ]
(11)
3 形成复合岩层的条件
以上推导是建立在材料力学平面假设的基础上的, 当硬岩与软弱岩层接触面上的剪应力达到抗
当硬岩层与软弱夹层形成复合岩层, 成为一个整体协同变形时, 其强度和刚度会明显加强, 即使三岩层单独变形时都不是关键层, 一旦形成复合岩层, 也可能形成复合关键层。复合关键层的运动, 将会对采场和巷道的各种矿山压(下转第83页)
往往是煤壁片帮所引起, 而煤壁片帮与前方支承压力及煤壁暴露时间相关, 支承压力大、煤壁暴露时间长, 相应的片帮程度就越高, 因此加快工作面推进速度, 相对减少煤壁暴露的时间, 以改善顶板和支架受力状况。
(3) 提高支架的初撑力和带压移架。大采高面采高大, 且直接顶厚度大, 因此要求支架要有足够的初撑力, 提高支架初撑力可减少顶板下沉量; 带压移架, 改善顶板的维护状况, 同时, 带压移架也可防止在移架过程中发生支架倾倒情况。
(4) 改进顶梁端部结构, 加装防片帮板。大采高面煤壁片帮程度与是否使用护帮板有关, 使用护帮板, 煤壁片帮机率减少。据统计, 无护帮板支护下的片帮机率约为有护帮板的3倍。因此要提高护帮板的使用率, 在机组割煤移架后, 立即打开护帮板。在机组割煤前, 提前于煤机1～2架将护帮板收起, 使采面煤壁始终在护帮板支撑下。
(5) 改进回采工艺和操作技术。①采用及时移架、擦顶带压移架, 使支架顶梁及时支撑顶板。
②当遇松软煤体和破碎顶板岩层时, 减少截深, 提高牵引速度, 减少煤壁暴露时间。
③严格工程质量, 限制采高, , (上接第77页)
4 主要结论
(1) 大采高倾斜长壁综采面顶板来压具有分
段性, 来压步距小, 来压频繁, 俯斜推进来压步距比仰斜推进时要大。
(2) 俯斜、仰斜采面顶板均有明显的初次来压和周期来压现象。
(3) 无论是直接顶垮落步距、基本顶的初次来压、周期来压步距均是俯斜面大于仰斜面。
(4) 俯斜面实测液压支架的平均初撑力2800k N /架, 为额定值的53. 5%。平均循环末阻力4293k N /架, 达额定值的71. 6%; 仰斜面液压支架的平均初撑力2210kN /架, 达额定值的42. 2%。平均循环末阻力2897kN /架, 达额定值的48. 3%。大采高俯斜面支架初撑力和工作阻力均要大于大采高仰斜面, 液压支架工作阻力有较大富裕。
(4) 在非来压期间, 支架多为初撑或一次增阻, 来压期间多为二次或多次增阻, 支架前柱阻力大于后柱, 受载合力偏向后柱。
(5) 俯斜面无煤壁片帮和端面冒顶事故; 但仰斜面则有。
[][M].徐州:中国矿业大学出
版社, 2003.
[2] 缪协兴, 茅献彪, 钱鸣高. 采动覆岩中关键层的复合效应分
力现象产生明显的影响, 对此现象进行分析计算
时, 必须考虑到复合关键层的影响进行修正。
参考文献:
[1] 钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 岩层控制的关键层理论[M].
析[J ].矿山压力与顶板管理, 1999, (3-4) :19-21.
[3] 茅献彪, 缪协兴, 钱鸣高. 采高及复合关键层效应对采场来
压步距的影响[J ].湘潭矿业学院学报, 1999, 14(1) :1-5.
[4] 茅献彪, 缪协兴, 钱鸣高. 采动覆岩中复合关键层的断裂跨
距计算[J ].岩土力学, 1999, 20(2) :1-4.
[5] 刘鸿文. 材料力学(第二版, 上册) [M].北京:高等教育出
徐州:中国矿业大学出版社, 2000.
版社, 1982.
(上接第80页)
变形刚度, 尤其是保证支架初撑力达到一定值; 而对于坚硬顶板, 采取人工强制放顶等技术措施, 降低关键层破断长度, 则是顶板控制的关键。4. 2 薄基岩浅埋煤层工作面支护设计方法
(1) 掌握设计区域煤层覆岩组成分层几何尺寸及力学性能参数;
(2) 分析计算基岩关键层位置及其组成分层; (3) 当关键层下沉距离Δ=m -(K p -) Σh ≥h g 时, 采用房柱式开采方法及其支护设计方法;
(4) 按关键层理论计算关键层初次破断距与周期破断距;
(5) 建立“承压砌块”模型, 计算工作面支架
合理工作阻力;
(6) 对于坚硬顶板, 采取人工强制放顶措施。5 结论
埋藏深度小、基岩厚度小、工作面顶板呈现单一关键层活动, 以及来压持续时间短、有明显动载现象, 是薄基岩浅埋煤层开采的典型特征。其矿压控制的有效途径是增大支架工作阻力和变形刚度, 尤其是保证支架初撑力达到一定值; 而对于坚硬顶板, 采取人工强制放顶等技术措施, 降低关键层破断长度, 则是顶板控制的关键。
参考文献:
[1] 钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 岩层控制的关键层理论[M].
徐州:中国矿业大学出版社, 2003.