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第 43 卷第 6 期煤 炭 科 学 技 术Vol 43No 6 2015 年6 月Coal Science and TechnologyJune2015 顶板见方来压发生条件分析研究 谭云亮， 胡善超 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 青岛266590 摘要 为科学认识和理解见方来压现象， 能够有效防治顶板动力灾害， 在分析坚硬岩层破断结构形 成力学机理的基础上， 讨论了顶板破断形式的主要影响因素、 不同顶板初次破断形式及其转化规律， 给出了顶板见方来压的实现条件。通过对全国部分煤矿坚硬岩层破断形式进行统计分析结果表明 顶板见方来压实现条件较为苛刻， 其破断形式在统计结果中所占比例仅为 4 54 左右。因此， 在动 力灾害防治工程中， 不应不分条件过分强调见方来压现象， 而是应该对不同类型顶板来压进行有效监 测， 并探索科学的顶板破断与来压预报方法。 关键词 岩层破断结构形式; 见方来压; 坚硬顶板; 动力顶板动力灾害 中图分类号 TD323文献标志码 A文章编号 02532336 2015 06001904 Analysis and study on condition to cause roof weighing in square meter Tan Yunliang， Hu Shanchao Cultivation Base of Mine Disaster Prevention and Control Province and Ministry Joint Key Lab， Shandong University of Science and Technology， Qingdao266590， China Abstract A scientific cognation and understanding of the pressure weighing in a square meter phenomenon could effectively prevent and control the roof dynamic disaster Based on the solutions to the mechanics mechanism ed by the breaking structure of the hard rock strata， the paper discussed the main influence factors of the roof breaking ， different roof initial breaking and the conversion law and provided the realization condition of the roof square weighing With the statistical analysis on the breaking of the hard rock strata in the national partial coal mines， the results showed that the condition to realize the roof square weighing was harsh and the breaking in the statistic results was in the percentage of 4 54 Therefore， in the dynamic disaster prevention and control engineering， a square weighing phenomenon should not over stressed not based on the condition， the different type roof weighing should be effectively monitored and measured and the roof breaking and weighing prediction should be scientifically discovered Key words rock broken structure ; roof weighing in square meter; hard roof; dynamic disaster of dynamic roof 收稿日期 20150211; 责任编辑 杨正凯DOI 10 13199/j cnki cst201506004 基金项目 “十二五” 国家科技支撑计划资助项目 2012BAK04B06 ; 国家自然科学基金资助项目 51274133， 51474137， 51374140 ; 山东省自然科 学基金重点资助项目 Z2012EEZ002 ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 20123718110013 作者简介 谭云亮 1964 ， 男， 山东潍坊人， 教授， 博士生导师， 博士。通信作者 胡善超， Email mining126 com 引用格式 谭云亮， 胡善超 . 顶板见方来压发生条件分析研究J 煤炭科学技术， 2015， 43 6 1922， 130 Tan Yunliang， Hu Shanchao. Analysis and study on condition to cause roof weighing in square meterJ Coal Science and Technology， 2015， 43 6 19 22， 130 0引言 在工作面以及斜长度或多区段开采累计长度恰 好与上覆岩层初次破断步距相等时， 形成见方来压 现象。早在 1987 年， 钱鸣高院士1 就大同矿区坚硬 顶板出现的悬露见方来压这一特例现象进行过评 述。文献 24 利用塑性极限分析法计算了采场坚 硬顶板在不同边界条件下的最小破断距， 得到顶板 极限载荷在工作面见方时接近失去承载力; 文献 5 6 对工作面覆岩破坏规律进行数值模拟研究， 认 为推进到工作面见方期时， 高位岩层积聚的弹塑性 能量大量释放， 导致应力急剧增大; 文献 78 通过 数值模拟对采场支承压力的分布特征进行研究， 得 出当工作面推进到见方期时， 支承压力峰值达到最 大值。近年来， 随着冲击地压动力灾害日趋增长， 许 多学者基于见方来压的观点， 建立覆岩结构力学模 型， 为单工作面见方阶段、 双工作面见方阶段及多工 作面见方阶段动力灾害的防治提供有效依据， 文献 912 基于采场覆岩空间结构理论， 利用微震监测 手段对工作面见方阶段的动力灾害进行预测; 孔令 91 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷 海等13 利用微震监测揭示了采空区见方时异常来 压的机理; 任勇等14 通过现场实测得到了工作面见 方时顶板应力及微震数据的变化规律。事实上， 见 方来压是有条件的15 ， 若不对见方来压发生的条件 进行充分讨论， 将会引起基于见方来压指导动力灾 害的防治实践认识层面的误区。因此， 笔者基于坚 硬岩层破断结构形成力学机理， 探讨顶板见方来压 的发生条件， 并通过统计实例分析见方来压所占比 例， 为顶板破断与来压预报方法提供科学依据。 1坚硬岩层破断结构形成力学机理 研究表明， 采用“板” 模型代替“梁” 模型， 不仅 有效获得更为可靠破断步距， 而且有利于揭示顶板 破断结构形成的力学机理。康建荣等16 运用梁弯 曲变形理论分析了采动覆岩断裂破坏的条件， 建立 了上覆岩层断裂时临界开采长度的计算模型; 蒋金 泉等17 通过求解基本顶弯矩修正系数， 给出了初次 断裂步距及类型的计算方法。 在工作面初采阶段， 可以把顶板视为四边嵌固 的板， 长边为工作面斜长 Lx， 短边为初次破断步距 L0。按照刚塑性理论， 在上部均布载荷 p 作用下， 其 将形成破断结构如图 1 所示。由于顶板结构在破坏 前存在弹性变形和塑性变形， 因此， 顶板屈服线形成 以后， 可以认为弹性位移和塑性位移与屈服线的出 现是同时的， 而且当结构体系即将流动时位移不大， 利用虚位移原理可以视弹性位移为附加项进行分 析， 进而求出弹塑性上限解1819 。 图 1顶板弹塑性屈服状态结构模型 Fig 1Structural model of roof in elastoplasticity yield state 对于图 1 的结构模型， 由于虚位移的作用， 外力 功 We为 We 0 SpWdS p 0 SWdS 1 式中 W 为板内各点的虚位移; S 为屈服线的总长 度。 相应的内力功 Wi为 Wi MSi 2 式中 i屈服线联接的板块之间的虚角位移; MS 屈 服线上的极限弯矩。 由 We Wi求得板的均布载荷 q 为 q 4MS Lx/L0 l/ / LxL0/2 L2 0/6 3 式中， 为侧斜屈服断裂线结构尺寸系数。 由 dq/d0 得 为 3 L0/Lx 槡 2 L0/Lx 4 由此可得极限均布载荷上限解最小值 qmin为 qmin 24MSL2 x L2 03L2 x L 槡 2 0 L 0 2 5 根据文献 18 ， 弹塑性屈服状态结构模型的上 限解 qS为 qS 1 1 24MSL2 x L2 0L2 0 3L2 槡 x L 0 6 由于 q 的作用， 因此令 qS q ， 即可求得顶板的 断裂步距 L0。 由式 6 及 MS Sm 2 0/6 得 L0 /3 2/L 槡 x 7 4 Sm 2 0 1 m0 mi 槡 8 其中 S为顶板的单向抗拉强度; m0为顶板的 抗屈服厚度; 为修正系数; mi为顶板上部软层厚 度; 为顶板岩层的平均容重。 综上所述， 在四边为实体煤的支承条件下， 工作 面长 度 为 Lx时，则 在 推 进 步 距 达 到 L0 /3 2/L 槡 x 时， 顶板将形成 图 1 的破断结构。 2破断结构类型及见方来压实现条件 钱鸣高等20 通过相似材料模拟试验最先揭示 了基本顶破断结构将呈现 “横 X ” 、 “正 X” 、 “竖 X” 3 种破断形式， 如图 2 所示。这 3 种形式分别对应 L xL0、 LxL0和 LxL0的情形。 图 2基本顶破断 3 种形式 Fig 2Three breaking types of main roof 02 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 谭云亮等 顶板见方来压发生条件分析研究2015 年第 6 期 不同因素条件下开采斜长与顶板初次断裂步距 的关系如图 3 所示， 由式 7 可得影响顶板破断形 式的因素分述如下。 1 顶板强度因素。由图 3a 可知， 在 Lx、 m0及 m0mi 一定的情况下， S越高， 顶板初次断裂步 距就越大， 越有利于顶板破断从“竖 X” 向“横 X” 型 转化。此外， 在 Lx较小 20 50 m 时， 顶板断裂步 距对顶板强度的敏感性要高于开采斜长较大时。 2 顶板抗屈服厚度因素。由图 3b 可知， 在 Lx、 S及 m0mi 一定的情况下， 随 m0增大， 顶板初次 断裂步距逐渐增大， 顶板破断逐渐由“竖 X” 型向 “横 X” 型过渡。顶板初次断裂步距在 Lx较小时对 m0的敏感性高于 Lx较大时。 3 顶板荷载因素。由图3c 可知， 在 Lx 、 S及 m0 一定的情况下， 顶 m0mi 越大， 顶板初次断裂步 距就越小， 其变化趋势与 m0相反， 此时有利于顶板 破断从 “横 X” 型向“竖 X” 型转化。顶板初次断裂 步距对顶板荷载的敏感性与开采斜长 Lx的关联性 不大。 4 开采斜长因素。综合图 3 可知， s、 m0及 m0 mi 一定的情况下， 当开采斜长小于 60 m 时， 随 着 Lx的增加， 顶板初次断裂步距 L0迅速减小， 开采 斜长对断裂步距影响较大; Lx超过 120 m 时， 顶板初 次断裂步距基本不受开采斜长影响而趋于稳定值， 顶板破断从 “横 X” 向 “正 X” 型转化， 并最终转化为 “竖 X” 型。 图 3不同因素条件下开采斜长与顶板初次断裂步距的关系 Fig 3elation ship between mining length and initial fracture length of main roof under different factors 5 边界约束因素。不同开采边界约束条件， 对 顶板破断运动影响很大， 两侧实体煤、 一侧采空与两 侧采空的条件下顶板破断形式及步距完全不同。 在两侧实体煤情形下， 发生见方来压时， 即令 LxL0， 由式 7 得到发生见方来压的必要条件为 L0 4 Sm 2 0 1 m0 mi 槡 9 见方来压的充分条件是开采斜长足够大， 为顶 板破断创造了空间条件， 且满足 Lx L0。可见， 只 有顶板强度、 荷载及边界约束等满足一定的条件， 才 会出现顶板见方来压， 其实现条件较为苛刻。 3工程实例 为验证上述研究结论， 对全国部分坚硬岩层破 断形式进行统计， 全国部分煤矿坚硬岩层破断形式 统计见表 1。在工作面斜长大于 80 m 情形下， 顶板 破断形式以“竖 X” 型为主， 占到了统计结果的 81. 82， 部分为“横 X” 型， 所占比例为 13 64。 只有1 次为 “正 X” 型， 即所谓见方来压型， 其所占比 例仅为 4 54。因此， 见方来压是顶板破断来压的 一种特例， 不应该作为普遍规律来推广。对于顶板 来压型的动力灾害防治， 不该把主要注意力放在见 方上， 而是应该努力探索科学的顶板破断与来压预 报方法， 这才是正确的方向。 表 1全国部分煤矿坚硬岩层破断形式 Table 1Fracture types of hard strata in part of coal mines in China 矿井名称 Lx/m顶板岩性m0/m L0/m 顶板 断裂形式 四老沟煤矿150砂砾岩101597 晋华宫煤矿144细砂岩101840 云岗煤矿83砂砾岩15953 横 X 永定庄煤矿80细砂岩5 7800正 X 四老沟煤矿110砂砾岩101023 四老沟煤矿150砂砾岩101448 晋华宫煤矿136细、 中砂岩10815 云岗煤矿96砂砾岩15 20 833 同家梁煤矿120细砂岩5 7680 同家梁煤矿186中粒砂岩5 10900 白洞煤矿120中细砂岩10600 煤峪口煤矿90细砂岩5 7400 王庄煤矿186中砂岩8650 木城涧煤矿80细砂岩3580 门头沟煤矿90砂岩5600 阳方口煤矿100中粒砂岩7300 张庄煤矿145砂岩6320 东庞煤矿141砂岩3300 张集煤矿135中粒砂岩6540 桑树坪煤矿93砂岩12386 云岗煤矿96中粒砂岩16830 门头沟煤矿80中砂岩3560 竖 X 12 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 2015 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 43 卷 4结论与展望 1 顶板见方来压是顶板破断来压形式的一个 特例， 是有条件的， 因此， 在动力灾害防治工程中， 不 应该不分条件过分强调见方来压， 并把它作为指导 动力灾害防治的普遍性规律， 只有这样才能正确认 识、 理解见方来压带来的价值。 2 对不同类型顶板来压进行有效监测， 探索科 学的顶板破断与来压预报方法， 是有效防治顶板运 动诱发动力灾害的关键， 是一项长期的任务。 参考文献 1钱鸣高 老顶的初次断裂步距J 矿山压力与顶板管理， 1987， 4 1 16. 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