采场上覆岩层结构的形态与受力分析.pdf

苛 f I 二 呈 岩石力学与工程学报 V o 1 ．1 4 No ．2 1 9 9 5 C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g 1 4 1 9 9 5 ， 9 7 一l o 6 采场上覆岩层结构的形态与受力分析 中国矿业 大学徐 2 2 1 0 0 8 z j 、 、 f 提 要本 文 以开 采后 岩 层移 动 实制 的 形 态 曲线 为基础 ，建 立 了断 裂 岩块 问 的铰 台 关 系 ，进 一 步 证 明 了 砌体 粱 力 学模 型是 层状 矿体 开 采后 岩层 的基 本 结构 形 式 。 决 定 此 结构 平 衡 与 否 的 关键块是离 层区上方的铰接岩块本文以此结构的力学模型为基础推得岩层 内部位移 曲线应 以 Ⅳ ． Ⅳ。 ， 1 一e - 毒 表示较为合适。 上下层结构位移曲线的曲率变化导致了离层区的 形 成 关 键 调砌 体 梁 ， 上 础， 岩 层 结 构 ， 铭 ． 耐荭 、 J 1 弓I 官 众所 厨知 ，煤 层开采后 上覆岩 层形成的结构 ，其形 态将 影响着地表 岩层 移动曲线 的形 式 ，同时也 将影响 到采 场支架 小结构的参 数 、性 能等 。因此 ，采场 上覆 岩 层形 成结 构的 特 点及其 形态一直为层状矿 体开采所重视 从另一方面讲 ， 采场上覆岩层移动的形态又是研究此结构特点的基础。为此 ， 近几十 年来国内外进行 了大量的岩层内部移动的实际观测工作 ， 国内如开滦 、 阳泉及大屯孔庄矿 等 获得 了大 量 的基础 资料 ，岩层 移动后形 成的 “ 砌 体梁 ” 结 构模 型 即是在 此 基础 上提 出来 的 。自从提 出此结构模 型 以后，对 采场矿 山压力 显现规 律有 了全面的 认识 。但是 对此结 构 的受力状态原先只有一初步解， 而对于此结构的形态曲线 即岩层内部移动 曲线 还未得到 全面的解 而研究岩层移动的科技工作者大部分是从地表移动的形 态， 根据实测数据统计 分析而得 ，没有直接与岩体结构形态联系在一起。 岩体结构形态的求解将直接影响到采 动后岩体 内孔隙的分布与流体在其中的流动规 律 ，因此进 一步发 展“ 砌体 梁” 力学模型实属必要 。 2 “ 砌体梁” 结构的形态与受 力分析 在总结前人 丰富研 究成果的基础上 ，经过长期 的实践观测和 研究分析 ， 提 出了裂缝 带 岩层 可能形成 的岩体结 构模 型如 图 1 图 1 a表示 回采工作 面前后岩体形态 ，其 中 I为垮落 带、 I为裂缝带 、l 为弯 曲下沉 1 9 9 4年 6月 6日收到褐稿 。 *本文参照了有关阳泉、 太屯孔庄、开摊苷矿冉 勺 岩层移动实 资料。 矸 采 期 L 2月 第 ． 卷 维普资讯 岩 石力 学与 工程 学报 图 1 采场 上覆 岩层 。 砌体 粱 ” 结构 Fi g ． 1 The s r u c t u r a l mo d e l of t h e o v e r l yi n g s t r a t a i n l on g wa l l mi n i n g 带 、 为煤壁支 承 区、 B 为离层 区， C为重 新压实 区 。图 l b为根据观测 的 岩层形 态而推测 的岩体结构形态， 而图 l c 为此结构体 中任一组 的结构受力状态。图中Q表示岩块 自重 及其载荷， R 。 表示支承力， R 等则表示岩块间的垂直作用力 ， 为水平推力。 鉴于它似砌 体一 样排 列而组成的结构 ，因而称之为“ 砌体 梁” 。 ．砌体 梁结 构是基于 采场上覆 岩层移动的如下特征而提 出的 1 采场上覆 岩层结构 的骨架是 断裂了的坚硬岩层 ， 其 上部 的软 弱岩层 可视 为直接 作 用于骨架上的载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层； 2 随 工作面 的推 进 ，采 空区上方 坚硬岩层在 裂缝带 内将 断裂 成排列 整齐 的岩 块 ，岩 块 间将受水平推力作用 而形 成铰接关系 ，层状移动 曲线 的形 态经 实测 呈开始 为下 凹而 随工 作面的推进 曲线逐渐恢 复水平状态 的过程 ，由此决定 了断 裂岩块 间铰接 点 的位 置 。若 曲线 下凹则铰接 点位置在 岩块 断裂面 的偏 下部 ，反之则在 偏上 部 ，在 回采空间 以及 邻近 的采空 区上方出现明显的离层区， 说明该区内断裂的岩块可以形成悬露结构 } 3 由于垫层传递剪切力的能力较弱 ， 因而两层骨架间的连结可用可缩性支杆代替 } 4 当骨架层 的断 裂岩块 回转恢 复到近水平 位置时 ， 块 问 的剪切力趋 近于零 ，此时 的 铰接 关系可转化为水平 连杆联结关系 ； 5 最 上层为表土 冲积 层 ，可将其视为均 布载 荷作 用于岩体 结构上 ，而骨 架结构 各岩 块上的载荷将随 垫层 的压实程度而变化 。 ] 秸 ． - 盈 维普资讯 第 1 4卷第 2期 钱 鸣高 等 采 场上 覆 岩层 结构 的形 态与 受力 分析 为 了验 证方 便 ，可取此 结构系 列 中的最 下层 骨架 结构 进行 分 析 。而 为 了表 达上 的 方 便 ，对此 结构作如 下的简化 1 岩块除受 自重作用外 ， 还受上部结构载荷的作用， 根据在采空区的实际测定，此 载荷从离层 区后重新压实开 始到岩块恢复水平位 置几近线性关 系 ， 且最 后逐 步恢 复到原 岩 应 力强度 v H ； 2 垫层对岩块 的作用是通过 可缩性 支杆集中于每个岩块 的中部 ； 3 根据 大屯孔庄 矿岩层 内部 测定结果 ， 岩 块在离 工作面6 0 8 0 m 时 ，回转恢 复到 水 平位 置 ，而工作 面周期 来压步距 为7 1 6 m，因而可取8 块岩 块组成 此结 构的基本模式 。 如 ．此结构的铰接关系及载荷状态如图2 所示。 图2 砌体粱 结构受力图 Fi g ． 2 Th e s t r u c t ur a | mo 1 e t a l t h e i r s t s t T 锄 g s t T a t u ∞ a n d i t s t o w e l s 设此结构的 自由度为 ，并假设第一岩块为悬露岩块， 则 ∞ 一 3 n 一 2 一 1 一 抽 2 一 0 式 中 n 岩块 的块数 ； n一 1 铰链数 ； n 2 链杆数 。 由此可知 ， 此结构为静定结构， 若考虑到支架力的作用， 则此结构为超静定结构。先 以静定结构考虑 ，并从左 到右分别取8 个铰接 点的右边部分对铰取 矩平衡 ，可得矩 阵 1 如 下 页 。 其 中 一 一岩块长度 岩 块高度 h的 ； ． 从左到右 一 1 ，2 ， ⋯⋯ 8 各岩块的最大下沉值； R 1 ，2 ，⋯⋯ 8 各岩块 可缩性支 杆中的反 力； P 左边第一岩块上的载荷 加 自重 ； H 垂直原岩应 力 ， 为岩石的容重 ， H 为采探 ； 丁 水平 推力 鉴于实际测得的周期来压步距 即岩块的长度 比较接近 ， 因此可先假设在此单一结构 中各个断裂岩块长度相等 ， 如此矩阵 1 可简化为矩阵 2 维普资讯 1 O O 岩 石力学 与工 程 学报 1 9 9 5 年 适 区 区 直 一l 一 J 一 l 。 。 。 。 。 上 I N 。 。 。 。 。 。 咭 -r l - j { l N { l l l l - l n 未覃 占 { } | ‘ 7 ‘ { } ．、 噶 { } v 5 5 小 ； { } 言 t 、 伽 { } t 、 小 t 、 ； { } ； 小 { 、 ； { } ； { } t 、 { } ； { } t 、 。 小 t 、伸 ≥ 0 _ v v ， v t i v * ∞ _ * v 十 c75 { } ．～ |，； { } ～ 胁 { { } l、 崤 I， I 。 三 。 。 三 小 小 。 。 。 十t、 t、 小 。 。 t、 t、 。 ，， ，， ，， 卜 } ，， 小t 、 、小 27小t 、 t 小t 、棚 。 们 27 t 、 t a w_ ， a H_ - I H_ - I H _ - { _ 小 、 ．、 小 ．、 伽 _● - _● 一 ● - _● ． ．、 。 十 们 小 、们 们 维普资讯 第l 4 卷第2 期 钱 呜高等 采场上 覆 岩层 结构 的形 态 与受 力分 析 1 0 l 0 0 0 0 0 o 丢 Ⅳ B一 日一 W s W 一 W B W 日一 W 5 B W 0 州 。 州 1 J 9 4 7 , ／ _／1 州 j4 7 H 挚州 蝥 肼z 1 4 州 2 根据碎裂岩体 的压实 曲线 ， 压 实量 △与压 实力 F并 非线弹性 关系 ，而呈如 下形式 F K A * 3 式 中 比例 系数 ，为材料常数 ； 常数 ，一般 可取 3 。 即支承杆的反 力 Rl 与其压缩量 4 之间的关系为 R 一K 再由岩块间相互运动的关系可求取 ． 与 A之间的关系， 见图3 。 图3 w 与 4 之间的关系 图 F i g ． 3 Re l a t i o n be t we e n 8 nd 4 鉴于两 块之 间斜度 比较接 近 ，因此可假设为 z3 z - 一 吉 4 4 R R R R R R R 丁 f 一 一 f ”一 2 n一 2 u一 2 0一 f 9 2 7 2 f 7 2 5 2 f 5 2 3 2 3 2 1 2 ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． n一 2 9 2 7 2 5 2 3 2 争争争争 7 2 5～ 2 3 2 1 2 0 争争争0。 3 2 1 2 0 0 0 1 2 O O O O 0 0 ， 0 维普资讯 1 02 岩石力学与工程学报 1 9 9 5 年 因此 同例 Ⅳ 卅 △ 一 △ 。 一 ； △ 2 一 { △ 一 △ m 1 3 △ A ‘ 。 w 2一 m 3 A 一 △ Ⅳ 一 m 1 3 ／ 一 Ⅳ 。 m lX3 A5一 A Ⅳ ； 3 A6一 △ Ⅳ 。 3 A，一 △B Ⅳ s m 6 式中 m M 一∑ K， 一 1 肘 采高 ； 二 顶 岩 层 的 碎 胀 系 数 。 鉴 于 第 8 岩 块 恢 复 到 水 平 状 态， 因 而 该 处K 垮 落 后 直 接 顶 岩 层 的 碎 胀 系 数 。 鉴 于 弟 8 君 职 伙 星 瓜’ ’ ” ⋯ 的垂直应 力应 为原岩应力状态 ，即 R K 一 z 7 一y ‘ 是曲 垫层从松散状态到压实状太 A8A8 ’ x，一 K ， ， x，一。 ， 其中 K， ， 垮落后直接顶岩层的残余碎胀系数。 因 此 一 一 云 Y H 二 l 5⋯ 7 9 1 3。 0 。 7 。。。1 3 5 0 0 0 } i1 A一 号 手 △ | { 一 号 A 孚 △ I 2 一 号 A 手 △ t i1 A 一 号 A 一 { △ l 一 厶 P - - HI - _1 5 KA 掣 y H I l 蹦 埘z 1 l K越 H￡ 9 K越 1 4 7 Ht - 。y Kz X H 5 Ka ； L等 7 H f ．B K △ l 8 3 砌体梁 的形 态与受 力的理论解 钜阵 8 中有7 个未知数邵 △ 2 ～山 和 ， 束知数个数刚好与矩阵的阶数相等。 由于该矩 专一 维普资讯 第 l 4 卷第 2 期 钱 鸣高 等 采场 上覆 岩层 结 构的形 态 与受力 分析 阵表示 的方程组为非 线性方程 组 ，所 以必 须采用数值 解 。现 在 ，可取大 屯孔庄 矿 的岩 层 内 部移动实测数据 为例进行计 算 ， 其 条件 为 H 一 2 0 0 m； 一 2 ． 4 X 1 0 k g ／ m ；K 一 1 ． 4 ； K ， 1 ． 1 ； 8 ． 0 m{M 1 ． 8 m； h 3 ． 4 m；∑ 3 ． 4 m。 因此m M 一 ∑ 一 1 一0 ． 4 4 m； ∑h K 一 ， 1 ． 0 2 m； 一 3 8 ． 4 1 0 。 k g／ m4 将大 屯孔庄实 测的数 据代入矩阵 8 后 ，通过数 值计算可得 0．5 2 m W I0 ．89 m 0 ．6 5 m W 21 ．04 m 4 0 ．7 5 m W 3 1 ． 1 6 m 凸5 0 ． 8 2 m W 1 ． 2 5 m △8 0 ． 8 9 m W 5 1 ． 3 3 m 0 ．9 5m W 一1 ． 3 9m △8 1 ． 0 2 m W W B一 1 ． 4 4 m 由矩阵 8 可知， 当 M，∑ ， 和 一定以后， Ⅳ∞ 仅取决于岩块的 长度。图4 分 别为f8 、1 0 、1 2 m时的计算曲线及大屯孔庄矿 ，7 9 m 时的实测曲线，由图可知计算 结 果与实际测定是 比较吻合 的。 商工作面距离 位移量 1 图4 砌体梁” 结构位移 曲线 F i g． 4 Th e d i s p l a c e me n t c ur v e s 0 {t h e v o u s s J o r b e a m 由矩阵 8 可解出形成此结构时的水平推力 为 维普资讯 岩 石力 学与 工 程学 报 9 将上述条件 的数据代入 ，则 p ， T ≈ 1 0 d 第一岩块与第二岩块铰接处的垂直剪切力Q 为 p Q1 2 ≈ 1 1 而 已断裂 岩块与未断岩块 间的剪切 力 R 为 R1 ≈ P 1 2 由此 可知 ，离层 区悬露岩 块的重量及其载 荷绝大部 分 由煤壁支 承 区所承 担 ，而仅 有一 小部分转向采空区 同时此断裂岩块相互铰合的结构 ， 实质上是在各甚内形成了类似于一 拱脚趋向于煤壁的半拱结构 。 显然， 在此结构 中第一、 二断裂块对平衡与否起关键作用， 因而 它们是结构 中的关键块 。 4 岩层内移动 曲线 众所周 知 ，开 采后的 地表移 动 曲线是 由岩 层 内部 移 动 曲线演变 而成的 。而迄 今 为止 ， 提 出的种种地表 移动典 型 曲线都是经过大量实测 数据统 计分析 而得 ，并没有从 开采后形 成 的上覆岩层结构形式进行研究 显然 ， 若上覆岩层在受采动影响后的“ 砌体梁” 力学模型成 立，则其形态曲线， 如图4 所示，即应是岩层内部的移动曲线 由矩阵8 求出 而此种关系 也 可近似地 用下述拟合 曲线表示 ，即 w w。 1一 毒 1 3 式中 w 第 i 组结构的位移曲线； w。 ． M 一 ∑ ． C K 一 1 ] ∑ ， 为第 i 组结构到煤层顶板的距离； K ， 为 ∑h 内岩层的残余碎胀系数。 ， 一 ／ ， R T 、 h ． 为第i 组坚硬 岩层的抗拉强度及厚度， 口 则为 其自 重及其上软 岩层的载荷 。 由式 1 3 可知 ．此岩 层移动 曲线将 主要决定 于采 高、相应 垫层的松散 系数及其 厚度 以 及 断 裂 岩 块 的 长 度 。而其 中 采 高 和 相 应 垫 层 的厚 度及 松 散 系 数 主 要 决定 最 终 下 沉 值 w。 ． 而断 裂块度的长短将 直接 影响此 曲线的 挠曲性 质 ， 如 图5 所示 显然 ，由于各个 骨架层 断裂块度 不一致 ，必然 导致 曲线挠度 不 一样 ，从 而导 致 采空 区 上方离 层区的形 成 。 争 维普资讯 第l 4 卷第2 期 钱鸣高等 采场上覆岩层结构的形态与受力分析 离工作面距离 ， 图5 断裂 块 度对位 移 曲线 的影 响 Fi g． 5 Th e i n u e n c e t h e d l s p l a c o e n t c L l r v e s b y t h e l e n g t h t h e r a c t u r e d b l o c k s 应特别指出的是 本文只是研究了备骨架层结构的受力及其形态， 而对岩体 由岩层进 入表土层的转换并未涉及。显然 ， 开采后形成的地表移动 曲线将与松散介质的移动规律有 直接的影响 ．这将 有待 以后讨论 。 5 结论 I 经力学计算证 明的 岩层运动形态 实测 为依据的“ 砌体 梁” 力学模 型是层 状矿 体开 采后岩层运动的 基本结构 ； 2 决定此结构稳定与否的关键块是结构中的第1 、2 岩块 ， 它们的形态与受力后平衡 与否对回采工作面的矿 山压力有直接影响 由此结构的解得到水平推力 T一 ， 而第一岩 D ． 口 块与第二岩块间的剪 切力Q ≈}， 它远小于第一岩块与未断岩块间 射剪 切力R 一{P 。 再次证 明了离层 区的载荷大部 分 由煤 壁支撑区承担的结论 ； 3 由此结构得出的位移曲线拟舍的岩层内部形态曲线 ， 应以下式表示为宜 ，即 w r。 1 一 一 毒 此 曲线的挠度与断裂岩块的长度直接有关， 而其最大下沉值贝 4 与此结构离开采层的距 离及其 间岩体松散后压实的特性有关 显然上下结构形态曲线挠度不同 上层挠度小于下 层 是形成离层 区的基础 。 6 参考文献 1 拽鸣高 ． 村听成主编 矿 山压力及其控削 悖订本 ．北京t 煤炭工 业出版社，1 9 9 2 维普资讯 l 0 6 岩石 力学 与工 程学 报 1 9 9 5 篮 THE0RETI CAL ANALYS I S 0N THE S TRUCTURAL F0 RM AND s TABI LI TY 0F 0VERLYI NG STRATA I N L0NGW ALL M I NI NG Qi a n Mi n g g a o Mi a o Xi e x i n g Ch i n a Un i v e r s i t y o i “ M i n i n g 8 L Te dmo l o g y．Xu z l wu 2 2 1 0 0 8 Ab s t r ac t B a s e d o n t h e d i s p l a c e me n t b e h a v i o u r o f t h e o v e r l y i n g s t r a t a i n l o o g wa l I mi n i n g，t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e f r a c t u r ed b l o c k s o f t h e o v e r l yin g s t r o n g s t r a t a h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r a n d t h e n a mo d e I o f t h e v o u s s i o r b e a m i n t hi s c o n d i t i o n i s p e r f o r me d ．Th e k e y b l o c k o f t h i s s t r u c t u r e i s t h e 1 - s t a n d 2 - n d bl o c k o f t h e f r a c t u r e d s t r a t u m．Th e s t a b i l i t y of t h i s s t r u c t ur e wi I 1 he d e t e r mi n e d b y t he i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e s e b l o c k s ．Th e n t h e d i s pl a c e m e nt c u r v e o f t h e s t r u c t u r e i s a l s o d i s c u s s e d ．Th e f o r m wi I 1 b e a s f o l l o ws w 一 w。 1一 毒， I t i s o b v i o u s t h a t t he s e pa r a t e d z o n e a b o v e t h e mi n e d a r e a i s p e r f o r me d b y t h e v a r i a t i o n s o f t he c u r v a t u r e o f t h e s t r a t a di s p l a c e me n t ． Ke y wo r d s v o u s s i o r b e a m ，o v e r l y i n g s t r a t a，s t r a t u m s t r u c t u r e ，s t a b i l i t y 岩石力学与工程学报 编辑部启事 由于 武汉 市 电话号码和传真号改变 ， 编辑部联 系办法更 改如下 通讯地址 武汉 市武 昌小洪 山中国科学 院武汉岩 土力学所 本刊 编辑 部 邮政编码 ；4 3 0 0 7 1 联系人 王可钧余胜英 电话 0 2 7 7 8 7 3 7 1 2 转8 1 8 办 传真 0 2 7 7 8 6 3 3 8 6 电报 ；5 5 8 8 维普资讯