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采动覆岩中关键层的复合效应分析 Ξ 中国矿业大学 缪协兴 茅献彪 钱鸣高 摘要 研究关键层的复合效应对深入揭示关键层在采动覆岩中的控制机理具有重要推 动作用。本文进一步明确了关键层复合效应的概念,系统分析了关键层复合效应对关键层破 断、采场来压、岩层移动、采动裂隙分布以及地表沉陷的影响。 关键词 采动岩体 关键层 砌体梁 复合效应 岩层控制 1 引 言 岩层控制中的关键层理论是将采场矿压、岩层移动和地表沉陷三方面研究有机结合的桥 梁,因此,自从文献[1]提出关键层理论以来,引起了学术界的广泛关注。本文对采动覆岩 中关键层的复合效应进行较系统的分析。 2 关键层复合效应的基本概念 当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。如两坚硬岩层为关键层,则它们之间的相互影 响称之为关键层的复合效应。这里,所分析的关键层复合效应仅指两相邻关键层之间产生明 显的刚度和强度增加现象,并对相邻关键层岩性和几何特征作如下限定1两坚硬岩层的 岩性基本相同,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 们的厚度无量级差别。 关键层的复合效应类似于复合梁或复合板的复合效应。有三层材料组成的矩形截面的复 合梁,设截面的上层h2、下层h1为硬材料,中间层 2h2为软材料,其复合效应为2h2越薄, 则其复合后的抗弯截面模量就越小;反之,软层越厚,抗弯截面模量越大。 设h1,2h2,h2的弹模分别为E1,E22,E2。在h1h2的条件下,横截面上的弯矩为M,则 根据材料力学原理,最大弯曲应力 Ρh1为 Ρh1 12E1Mh1 0152h2 E1[ 2h12h2 3 -2h32] E222h32 1 以h1h2 015m ,E1E2 3010GPa,E22 310GPa为例,Ρh1M与 2h2的曲线关系见图1。由 于弯矩M仅取决于梁的约束条件及所受载荷,与 2h2无关,因而图1实际上反应了 Ρh1随 2h2 的变化规律。 从图1中可以看到,随 2h2增加 Ρh1将快速下降。但是,随着 2h2的厚度增加,其复合梁效 应会越来越弱。在该算例中,当 2h2大于510m ,即 2h2h1或h2后,其复合梁效应就明显减 弱。 91矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 Ξ国家自然科学基金重点项目59734090资助 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 Ρh1 2 h2与 2h2关系曲线 在式1中可以看到,上下坚硬层间距 2h2是影 响复合梁效应的主要因素,除此之外,E22也是影响因 素之一,但为次要因素。 在此,需对采动岩体中的关键层、关键层的复合 效应及复合关键层作如下说明 1关键层。岩层无论是坚硬还是软弱,不管岩 层厚薄,在采动岩体中均具有加载和承载能力,只是 为了简化采动岩体中复杂的分析对象,根据其承载能 力的大小,把在岩体活动中承载能力十分突出的坚硬 岩层或称承载主体 , 进行重点分析。因此,把在采 动岩体中起控制作用的承载主体称为关键层。 2关键层的复合效应。两层坚硬岩层相距较近 时,将产生类似于复合板或复合梁那样的结构效应,它们的承载能力不是简单的线性叠加,可 远比线性叠加值大。这时,如分别单层分析岩层破断和移动规律,将产生重大误差。因此,我 们把两相距较近的关键层产生的承载能力显著增强现象称之为关键层的复合效应。 3复合关键层。两相邻关键层仅会产生复合效应,而且可能同步破断。因此,我们把 两同步破断的关键层称为复合关键层。 图2 采动覆岩力学模型 3 关键层复合效应对采场矿压的影响 现通过有限元数值分析来给出复合效应的定 量概念。 如图2所示,采场覆岩中存在两相邻硬岩层, 为h1和h2,弹模和柏松比为E1Τ1和E2Τ2。中间软 弱层为 2h2,弹模和泊松比为E22Τ22。第二硬岩层上 部的软弱层厚 2h3,弹模和泊松比为E33Τ33。表土层 转化为均布载荷后集度为q。采空区长度的一半为 l。 先假设覆岩中不存在第二硬岩层,而只有第一 硬岩层。可计算出其破断距为l 710m。计算中具 体岩性参数如下E1 3010GPa,E11 310GPa,E22E33 1010GPa,Τ1Τ22Τ33 013,h1 510m ,2h3 11510m ,2h1 1510m ,硬岩的抗拉极限[Ρ] 310M Pa。 当存在两层硬岩时,假设两层硬岩的厚度和力学参数均相同,分析软夹层2h2厚度变化对 其破断距的影响。由模型图 2 计算得到第一硬岩层的极限断裂跨距l1和模型˚指图2 中第二硬岩层下部与虚线左侧部分的岩体去掉计算得到第二硬岩层的极限断裂跨距l2,其计 算结果见图3。 从图3可知,第一硬岩层的极限断裂跨距l1受相邻第二硬岩层影响较大。有第二硬层存 在时l2明显大于l1,最大差为310m ,达4218◊ 。另外,由于受软夹层厚度 2h2变化的影响, 相邻硬岩层的复合效应会有所变化。当 2h2与h1或h2之比在115至215之间,这种复合效 应最强。当 2h2继续增大时,复合效应又会降低。l2与l1比较, 随 2h2增加,差距不大, 保持 02 1999.№3- 4 矿山压力与顶板管理 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图3 l1,l2与 2h2的关系 在11 0m左右。 当2 h2与h1或h2之比大于3后,复合效应 将逐步降至零。 当两硬岩层间距 2h2 1010m不变,假设两硬岩层的 相对厚度h2h1变化,其它计算参数与前同,可得到其复 合效应对采场来压的影响关系。其计算结果见图4。 从图4可知,当h2h1≥115时,两硬岩层的极限断裂 跨距l1与l2就相同了。这说明,此时的两岩层已成为变形 与破断相一致的复合关键层。 随着h2的增加,第二硬岩层 在覆岩活动中的作用就越大。当h2 151 0m 时,采场来压 步距l1l2 1315m ,与l 71 0m 比较,大9219。 4 关键层复合效应对岩层移动的影响 关键层在破断前,作为梁或板结构,是采动覆岩 图4 l1,l2与h2的关系 中的承载主体。关键层在破断后,形成砌体梁结构,继续作 为破裂岩体中的骨架,起承载主体作用。因此,关键层的复 合效应不仅影响采场矿压,同时要影响岩层移动,包括离层 裂隙分布和地表沉陷曲线等等。 在工作面初次采动后,采场覆岩中关键层未破断前,关 键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生挠曲下沉变形。 此时,关键层下部将产生离层,离层的大小取决于采高及软 弱岩层的松散系数。 如有亚关键层,则破断后的亚关键层将 形成砌体梁结构,并也将在主关键层下部产生离层。 亚关键 层与主关键层都破断成砌体梁结构后,在覆岩中将形成不 整合性离层。 这种离层将发生在开采边界的四周,而并非在 中部。 关键层破断垮落的非连续变形曲线即为砌体梁结构下沉位移形态曲线,此曲线表达式 即[2] yx - W 1 - e x 2l 2 式中W为关键层中部的最大下沉量;l为关键层的平均破断块长。 假设采场覆岩中存在两层关键层,即下层为亚关键层,上层为主关键层。上下关键层的 砌体梁下沉曲线之差即为关键层的离层 ∃y,即 ∃yy1-y2W2e- x 2l1- e- x 2l2 3 式中y1,y2为分别为亚,主关键层的下沉;l1,l2为分别为亚,主关键层的破断块长;W2为 主关键层中部的最大下沉量。 在亚关键层和主关键层前、后破断后,由式2、3绘制出的主关键层下部的离层拟 合曲线见图5。图中WW2 1500mm,l1 9m ,l2 14m。 用数值模拟和物理模拟等方法都可证明关键层理论所描述的离层情况。 由式2可知,当关键层受复合效应影响后,破断距l将显著增大,因而关下转第25页 12矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 存在两个明显的降压区,而且在基本顶初次来压前、后都存在,这种顶板压力分布规律的普 遍性尚未肯定,但对全工作面进行长距离细致深入的实测研究,无疑会在采场支架与围岩关 系研究方面取得实质性进展,为采场岩层控制、支护设计与生产管理提供清晰和可靠的理论 依据。 目前,矿压研究工作还应该向工程的深度和广度方面扩展,在深入研究直接顶、基本顶 岩层的工程特性的同时,要着手研究裂隙带岩层直至地表的开采损害问题。应用薄板矿压理 论在计算预测裂隙带扩展过程和发育高度方面也取得了一些应用成果[8]。 参考文献 1 贾喜荣编著.矿山岩层力学.煤炭工业出版社, 1997.9 2 贾喜荣.浅析坚硬顶板的下沉与断裂.山西矿业学院学报, 1984.1 3 贾喜荣,徐林生,刘国利.采场矿压计算分析方法.煤炭学报, 1993.5 4 贾喜荣.老顶初次断裂后的矿压裂隙带.山西煤炭, 1994.4 5 贾喜荣.也谈缓倾斜厚煤层放顶煤工作面矿压问题.山西煤炭, 1994.增刊 6 贾喜荣. Rock Slab Theory of Ground Pressure in theWorking and Practices . SecondNationalConference on GROUND CONTROL I N M I N I NG, October 1996, CALCU TA I ND I A. 7 贾喜荣等.放顶煤工作面顶板岩层结构及其顶板来压计算.煤炭学报, 1998.4 8 贾喜荣等.薄板矿压理论在放顶煤工作面中的应用.太原理工大学学报, 1999.2 收稿日期1999- 07- 11;责任编辑晓南 图5 主关键层破断后下部的离层 上接第21页 键层曲线也将发生显著变化。 同时,岩层移动、 离 层、地表沉陷曲线等也将有相应变化。 由式3可知,当关键层受复合效应影响后, 特别当形成复合关键层l1 l2后,即 ∃y≡0。 这说明图5中离层区将不存在。 5 结 语 深入揭示关键层之间的复合效应,将对岩层 控制理论的发展起积极推进作用。 两硬岩层之间 的复合效应主要与其间距有关,当间距与坚硬岩 层厚度没有量级差别时,复合效应最明显。复合 效应将影响采动岩体活动的多个方面,包括采场矿压、岩层离层裂隙分布及地表沉陷。 参考文献 1 钱鸣高,缪协兴.岩层控制中的关键层理论研究.煤炭学报, 1996.21 3 2 钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩结构形态与受力.岩石力学与工程学报, 1995.14 2 收稿日期1999- 07- 11;责任编辑宏昌 52矿山压力与顶板管理 1999.№3- 4 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ENGL ISH ABSTRACTS The analysis of complex effect of key stratum in overlying strata within m in ing influenceM iao Xiexing etc. The comprehensive study of complex effect of key stratum plays an i mportant role in understanding controlmechanism of key stratum in overlying strata w ithin m ining influence. This paper explains the con2 cept of complex effect of key stratum, and analyzes relation between the complex effect and rupturing of key stratum, m ining stress abutment, movement of overlying strata, distribution of strata cranny as well as surface subsides . The review of ground pressure theory of thin slab in coal m in ing and itsapplicationJia Xirong The paper review s state of the art ground pres2 sure theory of thin slab in coalm ining such as scientif2 ic concepts, foundation argumentation, theoretical de2 velopment and the field application.Some relative questions and further research concerning are also pointed out in the paper . The complexity of movement of broken overly- ing strata in steep coal seam m in ingShi Pinwu The featuresof ground pressure of overlying stra2 ta in steep coal seam m ining are quite different from that in flat inclined coal seam , for example, the forces along overlying strata varyw ith the buried depth, the fall of i mmediate roof s different type of backfill2 ing due to different steep degree, the voussoir struc2 ture beam s are normally not ed because of shorter coal face, variousm inings and largerweighted distance.The complexity of movement of broken overlying strata in steep coal seam m ining leads to variation of ground pressure of overlying strata in ti me, location as well as intensity. Based on the lab experi ment the paper describes themovement features of overlying strata in rupturing and after rupture. The failure and sliding of floor deteriorate the stability of system of support -surrounding rocks around coal face, so the strata controlof steep coal seam m ining is more difficult than that of flat coal seam m ining. Bearing capacity ofi mmediate roofL iu Changyou etc . Taking the i mmediate roof as a deed body and thickness of it as several ti mes of coal seam , the stress and displacement of i mmediate roof in coalm in2 ing are analyzed by using FLAC code, then the loca2 tion zones of bearing capacity isproposed. The i mme2 diate roof can be divided into three zones, which is helpful to better understand the relation between sup2 port and surrounding rock in coal face. The analysis of periodical pressure caused by i mmediate roofXiong Renqin etc . The observation on 704 coal face of Fuliu coal m ine show s that periodicalpressure can also be caused by i mmediate roof due to itsperiodical rupturing under certain geological conditions .The paper analyzes the reasons and preconditions of this periodical pressure, then preventive measures of hazards caused by i mme2 diate roof periodicalpressure is suggested. Study on ground pressure of coal face with high productivity undershallow burycondition Huang Q ingxiang etc . The field investigations show that ground pres2 sure of coal face w ith high productivity depends on face advance rate.Based on the theory of sidestep rock beam under shallow bury condition,the paper explains themechanism of larger periodical distance of main roof while lower in pressurewhen increasing ad2 vance rate of coal face, which is helpful for the selec2 tion of support. The behavior of ground pressure of remnant coal face and uation of support adaptability L iJinping etc . Based on the field investigations, the paper ana2 lyzes the variety of working resistance of support and its initial setting load in remnant coal face, outlines behavior of ground pressure, manufacturing of light top- caving support and its adaptability. The study of top- coal caving by surface blast- ing under conditions of shallow buried seams and poor ma in roof in I ndiaZhao Hongzhu. This paper introduces the working situation of top coal caving equipment in India, which was export2 ed from China. The ground pressure of top- coal cav2 ing face by surface blasting w ith both shallow buried seam s and poor main roof is analyzed,the blasting s and working situations are also described. The results show that the smentioned in this paper could be adopted to control the roof strata prop2 erly in certain case. The behavior of ground pressure of top caving in 1402 face at Jiulishan coal m ineJiaM ingkui etc . Based on the underground investigation, this pa2 per describes the behavior of ground pressure of top caving in 1402 face at Jilieshan coal m ine using prop support and blasting, which is useful for extending 832 1999.№3- 4 矿山压力与顶板管理 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.