采场“砌体梁“结构的关键块分析.pdf

第卷第期 年月 煤炭学报 。 。 采场 “ 砌体梁 ” 结构的关键块分析 钱鸣 高缪协兴何富连 中国矿业大 学 摘要在 “ 砌体梁 ” 全结 构力学分析 基础上 , 将 影响采场工作面安全生产的 “砌体梁” 关健块体部分简化为三 校拱式结构 。 此结构的基本失稳形 式有两种 , 即 滑 落失稳和回转变形失稳 。 块体的回转角 、 长高比 、 岩性及负载岩层 的高度是影响 结构稳定 的主要因素 。 在详细分析这些影响 关健块体结构稳定性因素 及范 围基础上 , 初步建立起了采场 围岩结构的 一 稳定理论 。 用此理论可就 开采 时上及岩层讨工作面的影响 、 压力变化及需控 岩层范 围等问题进行定量 分析 。 文中 还给出了 “砌体 梁 ” 关健块体结构的稳定 范 围及在各种条件下应采取的相应措施 。 关锐词脚体梁滑落失稳 回转变形失稳 “一” 稳定 引言 长期以来 , 人们一直在讨论采场上覆岩层 可能形成的结构 。 这主要是因为 它直接涉及 到采场岩层控制的基本问题 , 例如采场事故形成的原因 、 顶板压力 的来源 、 采场支护原理及 各项参数的确定等 。 年代末建立的 “ 砌体梁 ” 力学模型 〔’〕比 “ 铰接岩块 ” 及 “ 假塑性梁 ” 等假说在力学分析上前进 了一步 。 但是 由于采场上覆岩层结构及其运动的复杂性 ,“ 砌体梁 ” 理论仍需不断发展 , 使之与实践结合而得到更为广泛的应用 。 本文将就 “砌体梁” 结构的关 键块进行分析 , 这样可以使 “ 砌体梁 ” 整体结构的分析简化而易于判别 , 使其更适合于实际 应用 。 图表示开采后的岩层 活动状态图及其承载层所构成的 “砌体梁” 力 学模型 图 。 对此结构分析可知为 一静定结构 , 并可得各块体的力与力矩关系 , 即 ‘‘‘ , 式中 , ‘ 支撑力矩阵 , ‘ 系数阵 , ‘ 力矩矩阵 。 解此矩阵可得各个 力 的关系 , 同时可知 “ 砌体梁 ” 结构的关键块是图中的和 岩块 , 或当断裂后与岩块的相 互作用决定了此结构的稳定状态 。 而后 面的岩块 由于有 垫层的支撑仅起辅助作用 。 至此 , 可将 “ 砌体梁 ” 结构的多块体运动简化为三铰拱式结构进 行运动和受力分析 。 关键块体运动的几何及受力关系 现将两关键岩块构成如图的模式 。 图中岩块在采空区的下沉量 ,与直接顶 总厚 本文 ,‘一。一 收到 ,一一 改回 。 廖灿平编辑 。 煤炭学年第卷 度艺 、 采高二及岩石破断后的松散系数 有关 , 即 一 艺 一 鉴于考虑此结构 自身平衡 的可能性 , 因 而不考虑支架作用力 。 。。, 上 卜 ‘ 二二孚 欧蛛曰争 日 一 今 。 己乙 ‘ 卜卜 图开采后岩层活动状态及承载层的 “ 砌体梁 ” 结构模型 开采后岩 层活动状态承载层的 “ 砌体梁 ” 结构模型囚一煤壁支撑影响区 , ⑧一离层区 , ⑥一重新压实区 , ,, 一分别 为垮落带 、 裂缝带 及 弯曲下沉带 , 一结构的水平推力 , 一载荷 , 一块间铰接力及支撑力 , “一载荷 系数 , ‘一任意承载层号 , ,, “ , 一铰接岩块 竺式 ⋯ 争 誉二协止 一鱼一日 巨巨三三 一一一二二二一一产 产 一一 一一一一一一习习嚓 一 图两块体结构运动形态与受力 一 尸 , 一块体承受的载 荷 , 一 , 块体的 转角『一块体的下 沉 量 , 口, ,, 一 , 接触 铰上的摩擦剪力 , 一块上的支承反力 , 一接 触 面高度 , , 一 , 岩块长度 图岩块回转时的几何关系 。 图为岩块回转后的接触几何关系 。 由 图可知 无一 、 无一 显然 , 岩块两端接触应是均等的 , 因此 二 了 招一“ ‘, 鉴于块与块之间的接触是塑性铰接关系 , 因此图中水平推力作用点的位置可取 。 处 。 两块体受力分析 在图中取艺 二 和 艺 。二 。 由于岩块长度决定于其受力条件 , 而岩层形成周期性 断裂条件基本一致 , 这在周期来压步距上可作出判断 , 因此可假设 , , 则 第期钱鸣高等 采场 “砌体梁” 结构的关键块分析 一 一 几 一一 似 目下一 乙、 一一 一一 一 由几何关系可知 , 。 。 根 据对砌体梁 ”全 结构计算得 , , 因此可近似地视 。 再 令‘表示断裂度 , 则有 将式进一步简化为由全结构计算得到 的位移规律 二 , , , 二 一一卫址一一 。 ‘ 一气犷吕】份 乙 这样 , 与 感及 , 的关系见图 。 由此图可知 , 当‘时 , 随角的变化 , 值变化甚小 。 而 当‘ , 且 ￡值愈小时 , 值随着角的加大增长很快 。 说 明此结构为几 何非线性结构 。 由上述关系可得 , 的简化式 口 一 ‘一日 由口 , 得 云一口 , 口 二二六二一一,,, ,二尸代一尸 , 一 艺弋艺多一吕口 鉴于口 ‘ 为第一断裂岩块与未断岩层 间的剪切力对工作面矿山压力影响较大 , 口 , 随着 ‘与 角 的变化情况如图所示 。 由图可知 , 当时 , 不 论 感为何值 , 口 , 等于 。 而当逐步增加时 , , 将有所下 降 , 落越大时下降较小 , 感 时则下降较大 。 盯 公口 嗽 八巨产 产 仇 匕 、、 「尸 夕 油尸 卜 尸产二产 斗矛二 。 勺 气八 。 水平推力少与口的关 系 日 夕八 。 图 , 与的关系 。 口 , 日 炭学 年第卷 根据对第二岩块的分析可知 卜、 、、 八 卜 ,口 、、 、 、认 户 、、 沪 夕 、、 卜、、飞 丫 、、 卜、尸 、、 、、 ‘冬 一一 一 二、 ‘一一‘二习 ‘么 口 图 , 口 与的关系 ,。 日 澎 由式与式 口 口 , 一 落一 , 可得 一 。与, 的比值关系与‘及的 关系可见图 。 同样 , 当趋于零时 , 即采空区支撑物 刚度较大时如采用留小煤柱或采用充填法 等 , 口万口趋于无穷 大 或口 , , 尸 。 这说 明此时采空区悬露岩块的重量将全由前支撑 点所承担 。 因而岩块的铰接关系实质上是 一支点在 , 拱顶点在的半拱平衡 。显然, 随着的增加 , 口 。在不 断增加 , 而 ,。将 随之而降低 。 关键块体结构的稳定性分析 上面只是对关键块的一般分析 , 下 面将讨论 此结构 的 滑落失 稳 及 转 动 变形失稳 。 滑落失稳 由前面分析可知 , 此结构的最大剪切力口 , 发生在点 , 为防止结构在点发生滑落失稳 , 必须满足以下条件 , 即 甲口, , 式中 , 甲 岩块间的摩擦系数 , 一般可取 。 将式及式代入可得 ‘、 十 今 。 。 , , 州 、 甘 了 、‘ 产 ’、、 ’ , ’” 一一 ” 一一“二 ’ 。, 。。谊 〔夸 ‘一 、 , , 〕 由此可知 , 此结构不发生滑落失稳的条件直接与块度 ‘及回转角有关 图 。 众所周知 , 滑落失稳是在断裂线刚裸露于采场煤壁上方时最易发生 。 此 时值决定于煤 壁的刚度 , 若刚度越大 , 越接近零 , 则要求块度 ‘小于 。 若刚度较小 , 一般也只有 。左右, ‘则应小于。 。 由此可知 , “ 砌体梁 ” 承载层的岩层断裂度 ‘需在 以下 。 若将式中 ‘以无 代入 , 且以周期来压步距计算 , 即 ‘ 八一一马匕一一 几吞 则有 。。、瑞 翁 , 子 ” ’, 式中 , 吞 承载层负载岩层 的厚度 口 。 承载层抗压强度 岩体的容重 。 将吞 几与 的关系绘入图中 , 图中取承载层两种抗压强度 , 即 。 实线 第期钱鸣高等采场 “砌体梁” 结构的关键块分析 及口 。 虚线 。 显然此曲线以下部分才进 入稳定区 , 它随角的增加而加大 。 卜卜‘一一洲一 、、、 一一二二二代 代 护,曰 一一 , , , 、、 、、、 卜 浪从 从 肠如 日 、 咬哎 自﹄口 众 刀厂 ’ 图滑落失稳与氏及‘关系 ’, ’ ﹄,‘八 吐 ﹃ 乃乙 ⋯ 幻 八曰 图结构承载厚度 叭与回转角的关系 一 ‘ 幼 几 口 , 回转变形失稳 如前所述 , 随着岩块的回转 , 值将越来越大 , 其结果可能导致转角处岩块挤碎而失 稳 , 我们称之为回转变形失稳 。 为此 , 保持结构稳定的第二个条件为 毛 刀口 。 分析式 , 表示接触面上的平均挤压应力 , ”入表示岩块在角端处的挤 压 强 度 。 鉴 于角端的特殊条件 , 根据文献〔〕的大量实验测定 , 可取, , 将有关数据代入式 可得 多一口 、合‘一‘“‘ ”,” 。 将 无 , 及有关参数代入得 , ‘一 音 ”‘一”’提 。。 为了满足上述条件 , 承载层及载荷层总厚度 无 必须满足下述条件 , 即 一 一 口 了 口龟、、 口 ‘。加。 含 加 将此关系 同样绘入 图中 , 则可得在不 同 葱时的 十 与氏关系曲线 。 由图可知 , 将随的增加而减小 , 即随 ,的增加转动变形失稳可能性 增大 。 “ 砌体梁 ”结 构的 “ 一 ”稳定理 论 由前面分析 , 随着回采工作面的推进 , 上覆岩层所形成的 “ 砌体梁 ” 的稳定性主要受图 中 , 岩块所控制 。 它既要防在。角较小时岩层刚断裂时可能形成的滑落 煤炭学报 年第卷 失稳 , 又要 防止在角增大时咬合点挤碎而 形成的转动变形失稳 。 在满足 这两 个条件下的 “ 砌体梁 ” 结构才是稳定的 , 因而称之为 “ 砌体梁 ” 结构的 “ 一” 稳定理论 。 根据图 , 其条件为 镇 命 , 令 “ ’ 条件 , 几 镇 一一二一多 口 , 乙 。 、 下 】 』 ‘ 乙 一 , 条件 ‘ 了、 、 表关健块体 一 称定性区域 抗压强度 。 项目 起始回转角 日 。 最大负荷层高 无 最大允许回时 一 。。 转角 工 “ 云 时 由此在图中可找到结构保持 “一” 稳定 的范围及其相应 的角 。 现将 。 和 。二 时 , 相应的起始回转角 , 最终允 许回转角及可能负荷的岩层 高度列于表 中 , 图中也表明了相应的区域 。 由图可知 , 影响滑落失稳的关键是此 结构负荷的岩层 厚度 , 。 例 如以 。 计 , 仅为 。 影响转动变形 失稳 的关键 是回转角 。 而此 回转角的大小最终 将决定于 讥。 一 粤 〔。 一 艺。二 ,一 〕 ‘ 因此 , 若越小 , 艺无越大 , 且又比较长时 , 不易产生转动变形失稳 。 此 时 , 根据采区岩层柱状分层性质及其采高 , 就可对稳定性作出判断 。 当不能满足式时 , 应防止工作面沿煤壁的顶板切落 , 加强支 柱的初 撑力以防止工作面 出现压垮型事故 , 当最终 回转角超出变 形稳定范 围时 , 例如 艺过小或采高过大等 , 则应注意支 柱刚度的调节 , 以及保证支架有足够的稳定性 , 防止工作面发生推垮型事故 。 结论 由上述分析可知 , 对 “ 砌体梁 ” 结构的分析可简化为离层区内两关键块的三铰拱结构分 析 。 由此可引出关键块体结构滑落失稳及回转变形失稳的范围和影响因素 , 从而形成了 “砌 体梁 ” 结构的 “ 一 ” 稳定理论 。 应 用此理论可对开采后上覆岩层对工作面的影响 作出分 析 , 并可决定工作面上方需控岩层 的范围及对应采用的控制原理和相应 的参数作出决定 。 参考文献 钱鸣高 , 刘听成 。 矿山压 力及其控制修订本 。 北京煤炭工业出版社 , 。 缪协兴采场老顶初次来压时的稳定性分析中国矿业大学学报 , , 第期 钱鸣高等采场 “砌体梁” 结构的关键块分析 作者简介 钱鸣高 , 男 , 岁 , 教授 , 博士 生导师 。 年北 京矿业学院研究生毕业 。 国务院学位委员会学科评审组 成员 , 全国采矿重点学科中国矿业 大学带头人 , 首批国家有突出贡献的中青年专家及 政府特殊津贴获得者 。 国际 杂志编委 , 及 成员 。 已出版 的主要著作有 部 , 其中 “矿 山压力及其控制 ” 等获国家高等学校优秀教材奖 。 已发表论文 余篇 。 有关科研成果获国家教委理论成果二等奖和国家自然科学成果三等奖各 次 , 以及省部级奖 项 。 江 苏省徐州市中国矿业大学 , 邮政编码 。 缪协兴 , 男 , 岁 , 博士 。 年进入中国矿业大学博士后流动站 , 从事矿山工程力学及矿山压力与 控制方面的研究工作 。 现已在国内外学术刊物上发表论文余篇 , 出专著两部 。 江苏省徐州市中国矿 业大 学 , 邮政编码 。 何富连 , 男 , 岁 , 博士 。 中国矿业大学矿山压力研究所副所长 。 从事采场矿山压力与支护质量监测 研究工作 , 已在国内外发表有关论文 余篇 。 江苏 省徐州市 中国矿业大学 , 邮政编码 。。 。 艺 。, 艺 梦 万‘ ‘ ,, 夕 ,, , , ,, ,, ,“ 一 ” , ,, 。 ,, ,“ 一 ”