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综放采场围岩支撑系统分析 ‘ 中国矿业大学张顶 立钱鸣高 摘要本文通过对综放采场围岩支撑系统及其力学特性的分析建立了综放采场 的围岩 力学模型该模型考虑了顶谋及直接顶的软化特性 、 支架工作全过程 , 以及直接顶 “ 小结 构 ” 的影响 , 由此可对综放开采的某些矿山压力现象作出满意的解释 。 关键词综放采场支撑系统刚度力学模型 引言 众所周 知采场支架的受力主要来 自老顶 及直接顶的活动 。 传统的矿 山压力理论都是视 直接顶 为刚体 , 即认为老顶的变形可以经 由直接顶全部传递给采场和支架 , 并由此来确定顶 板下沉量和支柱缩量 。 显然 , 当直 接顶强度较低 , 尤其是放顶煤开采时 , 这与实际将有较大 的误差这 也是导致综放采场矿压显现复杂化 的主要原因之一 。 近年来 , 随着对 一 直接顶稳 定性及放顶煤开采矿山压力研究的深人 , 使人们逐渐认识到直 接顶 , 尤其是顶 煤在矿山压 力显现 中的作用 并对采场支架受力的木质以及 “ 支架一围岩 ” 关 系等问题有了更进一步的认识 , 这也 为采场矿山压力理论的发展奠定基础 。 综放采场围岩支撑系统刚度 综 放 采 场 的 围岩 支撑 系 统 刚 度 如图所 示 。 在综放 工作面 , 砌体梁结构岩层及其上覆 岩层所产生 的支承压力是 由直接顶和后方已垮 落的研石来承担的 , 而其中直接顶的支撑基础 ⋯⋯ 户 一 。 肠 。。 澎 一咐 咐 」」」址址址址麟麟 图综放采场围岩支撑系统 则主要是工作面前方的煤体和支架上方的顶煤 , 并且直接顶的变形和载荷又经 由顶煤传递到 支架 。 由此可见 , 老顶 与支架 的相互作用是通 过直接顶和顶煤来实现的 , 因而老顶活动对支 架的影响程度取决于此二 者的刚度及其与支架刚度的对比 , 而直接顶对支架的作用则又取决 于顶煤破坏发展的程度及刚度大小 。 前方煤体的力学性质 进人塑性区后 , 顶煤的破坏处于发展变化之 中 , 因此愈靠近煤壁的煤体其刚度愈小 , 即 承载能力愈低 。 并且 随煤层采放出 , 煤体的刚度逐渐降低 , 其载荷一部分转移到前方煤 体加强破煤作用 , 使塑性区前移另一部分则转移到支架上 , 从而造成对支架载荷的影响 。 由此可以用一系列的弹簧来表征前方煤体的支撑特性 , 如图所示 。 需要指 出 , 在塑性 区范围内弹簧的刚度是变化 的 , 愈靠近煤体深部其刚度愈大 , 而以煤壁处的弹簧刚度最小 。 奸石的力学性质 研石对老顶岩层 的阻力随压缩量 的增加而逐渐增大 。 即在老顶与研石接触前其阻力为零 , 随压缩其刚度迅速增大 , 并逐渐趋于稳定 。 由于老顶触研前及触研初期对支架的影响较小 , 故 煤炭科学基金资助项目 矿山压力与顶板管理卿一 在此主要考虑研石刚度达到稳定后 的情况 , 即可用弹簧 来表示 。 若考虑到研石的逐渐压实过 程 , 则在距工作面较近时 , 刚度较小 , 随远离工作面刚度逐渐增大 。 根据前述分析及图所示 , 综放采场上方老顶结构及其载荷最终将由前方煤体 、 支架和 后方研石三部分来支撑 , 即三部分共同形成顶板的支撑基础 。 若由于开采所造成的顶板载荷 为凡 , 则有如下关系 户去一么 几 式中 支撑 系统刚度 , 即称一友 二 既 丸 前方煤体的刚度 二 支架增阻 阶段 的刚度实 际为支架 与顶煤的组合刚度 践 、 后方垮落研石 的刚度 几 顶板下沉量顶底板移近量 若支架能承担的载荷为 户祛 , 则有 户帐 坛 二 户长 怠 二 叔 令 乓一裁 二 , 则 上 , 魂 遗之 劲 一 十 户标户长 式 的关系曲线如 图所示 , 由图 可见 , 随值的增大 , 支架所受载荷迅 速 减小 , 即当前方煤体和后方垮落研石的刚 度较大时 , 支架将承受较小的载荷 。 由图还可看 出 , 当较小 , 即支架 的刚度较大时 , 支架的载荷相应地增大 。 而 放顶煤开采时 , 其支护刚度还取决于支架 与顶煤 的刚度对比 , 当顶煤破碎且刚度 较低时 , 得支架受载并不大 。 】 】 图基础刚度对支架受载的影响 则支架的刚度不能得到充分的发挥 , 结果使 直接顶及顶煤的力学性态研究 综放开采 时 , 直接顶和顶煤 的刚度组合及刚度对比关系将直接影响到支架受载及采场矿 山压力显现 的剧烈程度 , 同时也影 响到顶煤破坏 的发展及其破碎程度 。 直接顶的 力学性态分析 直接顶对顶煤具有介质和载荷的双重作用 , 并且以介质作用为主 。 而直接顶介质作用的 传力效果则取决于直接顶 的刚度大小 , 若直接顶处于弹性变形状态 , 则其刚度可用下式表示 式 中 艺 直接顶总厚度 ,。 由此可知 , 直接顶刚度正 比于岩层的弹性模量 , 反比于其厚度 。 显然 , 当艺较小 , 且直 接顶强度 三又较大时 , 其刚度将远大于支架及顶煤的刚度 , 因而 可将其视为刚体 。 而放 顶煤开采时 , 直接顶厚度乏成倍增大 , 因而当直接顶破碎或下分层放顶煤开采时 , 其刚度可 能与顶煤及支架的刚度相当 , 甚 至小于顶煤及支架的刚度 。 脚一矿山压力与顶板管理 根据上述 分析 , 在综放采场围岩的 支撑 系统 中 , 直接顶可用弹簧滑块表示 , 由于考虑 到在通常情况下直接顶 刚度大于顶煤刚度 , 因而也可用弹簧表示其力学特性 。 顶煤的 力学性态分析 顶煤的力学特性 顶煤的变形和破坏开始于煤壁前方 , 因此进入煤壁上方的顶煤处于塑性变形状态 , 同时 随着靠近煤壁其应力状 态 发生相应的变 化 , 从而使顶煤的强度逐渐降低 。 并且进入支架上方 又受到 支架的反复支撑作用 , 其相应 的 全应力 一 应 变曲线在过峰值后呈降阻状 。 支架的每次 支撑和卸载都使顶煤遭到一定程度的破坏 , 随变形的增大 , 顶煤的强度逐渐降低 , 这就是支 架的反复支撑对顶煤破坏作用的实质 。 由于直接顶及老顶岩层 的重量是经 由顶煤传至支架的 , 因而顶煤 的刚度即决定了支架载 荷的大小 , 同时也决定了顶煤 自身破坏 的发展 。 根据与直接顶分析相类似的方法 , 可得顶煤 的刚度为 八 直接顶 ⋯⋯ 月月 侧侧 立立立卜 弓弓 尸尸尸 ‘‘ 八︺八八八八 ︸ 甘八︸ ︸ 八八八工口 ︸ 曰︸︸口 ︸ 日﹄比口︸二︸氏,性弓,白今曰 飞玉 ︶ 侧蚕转目 ‘ 斗茂 一 一一 叔 式 中概 顶煤的刚度 , 长 三 顶煤的弹性模 量 , , 二 顶煤的 厚度 , 距煤壁距离 。 顶煤力学性态的转化 顶煤进人塑性区到放 出是 图支架上方顶煤的刚度分布 刚度 变化 , 刚度模型 一个复杂的过程 , 其间顶煤 的力学性态处于变 化之 中 。 因此顶煤的刚度无论在时间上还是在 空间上也都处于变化之中 , 在煤壁前方塑性区范 围内 , 由于顶煤破坏的发展及围压条件的变 化 , 其刚度逐渐降低进人支架上方 , 由于围压条件的变化及支架的反复支撑作用 , 顶煤的 残余强度也发生变化 , 因而顶煤的刚度逐渐减小 , 根据有限元分析 , 按 一占求得支架上方 顶煤的刚度如 图所示 。 根据顶煤力学性态的转化及破坏发展规律 , 支架上方的顶煤可用弹簧滑块表示 , 如图 所示 。 由于顶煤的极限强度及残余强度沿顶梁长度的变化 , 滑块的摩擦阻力也是变化的 。 由此可解释支架沿顶梁的载荷分布 , 当支架的额定阻力大于顶煤的残余强度时 , 支架在 “ 限 定载荷 ” 状态下工作 , 这时支架载荷的分布即为前述滑块的摩擦阻力分布 , 支架顶梁上 的载 荷分布取决于顶煤的刚度及相应的变形量 , 即 奸 恋 。 直接顶与顶煤的刚度对比分析 比较式和式 , 则有 怠式 人式 丫 瓦 一 瓦 ’ 瓦 人 叮 之今 几二二万川 么 耳一茂一 一一 称一 矿山压力与顶板管理阴一 堵 ‘ 峪 放顶煤开采时 , 一般 为一 , 则 由式 可得如图的关系曲线 。 由图可见 , 两者的刚度比正 比于弹性 模量比 , 因此直接顶与顶煤 的强度比即决定 了两者的刚度对比关 系 。 有以下几种情况 。 当直接顶 与顶煤的强度均未达到极 限强度时 , 则按各 自的刚度分配变形 , 图 直接顶和顶煤都已进入塑性 变形状 态 , 即已达到极 限强度时 , 则按直接顶的极 限强度大于 、 小于 及等于顶煤 的三种情况 , 可 以图中 、 ‘ 及表示 。 此时代表强度较弱 的摩擦块将首先滑动 , 这 时支架载荷取决于 此滑块的摩擦阻力 。 巨 瓜 , 称 ‘ 图直接顶及顶煤的刚度对比 由于考 虑到顶 煤及直接 顶的软 化 特 性 , 滑块的摩擦阻力 为位移的单调减函数 。 。 肠 仁扩八协丫叭 二 探 嵘 勺尺刀气幼刀己 综放 采场的支架工作特性 根据前述分析 , 支架 的受力大 小及载 荷分布取决于顶煤力学性 态的转化及其与 支架的相互作用关系 , 当顶煤的残余强度 大于支架的额定支护阻力时 , 支架仍具有 探 ‘ 牛助泌 一八叮一竺 从 权 , 生八扒材七二 己 图直接顶与顶煤的弹塑一滑块模型 增 阻和恒阻工作阶段 。 由此支架的工作特性可用弹簧和滑块 串联的弹塑元件表征 。 它能反映 支架 阻力 随压力增大而升高以及安全阀开启后保持恒阻的工作特性 。 综放 采场围岩力学模型的建立 通过对综放采场围岩支撑 系统力学特性 的分析 , 可建立如图所示 的力学模型 , 此 模型的特点为 采场 “ 大结构 ”仍然保 留老顶断裂块 间的 “ 砌体梁 ” 力学模型 考虑了煤壁 对 “ 砌体梁 ” 支撑 的影响 角 二巡对一 刀几‘ ,奢认 目 与嵘幻 图综放采场围岩力学模型 考虑了顶煤和直接顶 的软化特性 及直接顶中 “ 小结构 ” 的影响 考虑到支架运转的全过程 , 包括安全阀开启后 的力学特性 将 “ 直接顶一顶煤一支架一底板 ” 支撑体系视 为由不同刚度和不同软化特性 的弹塑性 体所组成 。 该力学模型的建立 , 可对综放开采的不同矿 山压力现象作出解释 , 并 为综放采场的支架 选型及 围岩控制设计提供了依据 。 责任编辑晓南 附一矿山压力与顶板管理