含夹矸顶煤破碎特点分析.pdf

第 “卷 第期中国矿业大学学报 95 ; A B AA A B C D B DE B FE A B GE F B FA E B F B H B EE B D E F B FA F B GC B G B F C B E F B FA C B EC B B F C B G EE B EA B HE B F B FG C B G 粉 砂 岩 E B HA D B F B DC B E B H GE B AA E B FG C B E B F A B C E B A F E B CG G B EG B F F G B E F B FA C B ED A B DF B F B F 由图示及试验结果可见I J无论煤体或夹矸K 其抗压强度及残余强度均随围压的增大而增大K并 且对夹矸的影响更为明显L G J煤矸的单向抗压强 度差别不大K但其残余强度相差悬殊L J煤体及夹 矸均表现出明显的峰后塑性软化特征B M 含夹矸顶煤的破碎特点 综放开采时K顶煤N连同夹矸J的破碎是在支承 压力“顶板回转和支架反复支撑的共同作用下逐渐 发展的K并且依次经过完整区“破坏发展区“裂隙发 育 区和垮落 破碎区K最后呈 散 体 状 由 放 煤 口 放 出O PB支承压力使煤矸产生预破坏K也是顶煤实现 破碎的关键K顶板回转可加剧夹矸以上顶煤的破 碎K而支架的反复支撑则仅对下位G Q6范围内 煤矸具有明显的作用O G PB 随工作面推进及顶煤逐渐接近煤壁K其应力状 态也不断变化K即由三向应力状态逐渐过渡为双向 或单向应力状态O PR而由图 K G可见K随围压的减 小K煤矸的承载能力不断降低K显然K这对顶煤及夹 矸破坏的发展是有利的B M B 煤矸组合系统力学模型 由于煤层及夹矸层夹持于煤层顶底板之间K在 支承压力及顶板活动的作用下共同变形和破坏K因 此K含夹矸顶煤的破坏及受力特点可由图 表 示R为简化问题的分析K可作如下假设I J煤层N含夹矸J顶底板的刚度远大于煤层及 夹矸的刚度K即S T K UV SW K XL G J引用广义刚度表征煤矸变形和破坏的全过 程K包括峰值前和峰值后的力学特性L J为使研究结论具有普遍性K分析中采用应 力Y应变关系K而不采用系统受力与变形的关系进 行分析和计算L J煤矸力学系统的总变形等于煤“矸子系统 的变形之和K即Z [\ Z [ W]Z [XL E J本力学模型主要用于分析煤矸在煤壁前的 变形及破坏过程B 在上述假设的基础上K可建立如图 所示的 煤矸力学系统模型B据此力学模型可对含夹矸顶煤 的破碎机理和特点进行分析B N JN J 图煤矸组合系统力学模型 _ ‘ X B ;a W b c ‘ W d 6e f a d e U W e 6 ‘ c g ‘ e ch i h g a 6 U e TW e d c fT e W 7j T g ‘ c X 广义刚度定义为单位应变的应力变化量K即 S N k J\ f 9 5 f k K在峰值前即为煤矸的弹性模量S K 在峰值处为零K而在峰值后则为煤矸的软化模量 l B由此可见K广义刚度的建立使煤矸破坏全过程 的研究成为可能K而含夹矸顶煤的破碎效果则取决 于组合系统中煤层与夹矸层的相互作用B M B M 含夹矸顶煤破碎效果分析 广义刚度是表征煤矸破坏过程及其相互作用 关系的重要指标K在图 中K设S N k J为夹矸以上 顶 煤 的 广 义 刚 度K S GN k J为 夹 矸 层 的 广 义 刚 度K SN k J为夹矸以下煤体的广义刚度B在支承压力作 用下K若组合系统产生总应变 k K上述个子系统 产生的应变值分别为k K kG和kK 支承压力值为9 K 则有 9\ S N k J k \ SN k J k\ SGN k J kG\ SN k J kBN J 若 夹 矸 层 上“下 煤 体 的 广 义 刚 度 相 同K即 SN k J \ SN k J \ SWN k JK同时令SGN k J \ SXN k JK则 有 S N k J k \ SWN k J kW\ SXN k J kXBN G J 由煤矸的应力Y应变关系可知K煤与夹矸并非 同时到达峰值K而在峰值前后K组合系统表现出不 同的力学特性K因此K应对峰值前后分别进行讨论B 为便于分析K设夹矸的抗压强度大于顶煤强度9 W WK 即在通常情况下顶煤先于夹矸破坏B 根据前述分析K煤层及夹矸在超前支承压力的 作用下发生强度破坏K随支承压力的增加K煤矸的 破坏不断发展B图为煤体与夹矸的变形及破坏发 展曲线K显然煤体发生强度破坏前后对夹矸层的破 坏发展具有不同的影响K为此需首先对煤体发生强 度破坏的条件进行分析B D 第G期张顶立等I含夹矸顶煤破碎特点分析 万方数据 图煤体及夹矸的破坏发展曲线 “ 时 ; 78 9 以此为标志6煤体破坏的发展表现出显 著的变化6对夹矸破坏的发展也造成明显的影响 A 煤体破坏前的力学特性 由于在峰值以前广义刚度即为煤矸的弹性模 量6则由式 6 显然6破坏前煤 矸是按其弹性模量来分配应变的C设煤矸的弹性 应变极限值分别为 * 和* 6 则煤体发生破坏 * 时夹矸所产生的应变 * * E* * I I H C RJ D I R I “UD H 4 K I H C D 4 D R[ C Y I H B C 4 A “\ I C ] C R 0 0 0 / / “J K C * 8 I M H 4 _I 4 D E ‘C C RZ R C I I H C R “J [‘L“a G b K D G “ C R B G* * 0 0 1 “J K C c d e f g h i f 7j4 K Ik B C BD E _I , K C , M H D M I H 4 A4 I B 4 D E H D , P “4 K I, K H , 4 I H C B 4 C ,D E , D _k C 4 C D B A B 4 I _ E D H , D lH D , PM H 4 C RNI H I4 K D H D G R K AB 4 G l C I l L K IE C G H I_I , K C B _D E 4 D M RN B C Y I B 4 C R 4 I l L K I_I 4 K D lD E l I 4 I H _C C R4 K I C _C 4 4 K C , P I B BD E H D , PM H 4 C RNC 4 K C 4 D M mI A4 I , K C , _I B G H I BD E C _M H D Y C R4 K I, Y C Rk I K Y C D HD E 4 D M RNI H I l Y , I l l D k Y C D G BI E E I , 4 K Bk I I R D 4 C M H , 4 C , I no pq r g s e 7E G A C b I lB G k R_C C R M H 4 C R , D _k C 4 C D B A B 4 I _B 4 C E E I B B k H I P C R I E E E I , 4 -t 第*期张顶立等7含夹矸顶煤破碎特点分析 万方数据