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1、第16卷第4期岩石力学与工程学报16(4):320～3261997年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.,1997综放工作面围岩结构分析张顶立钱鸣高(中国矿业大学采矿系徐州221008)摘要从系统稳定的观点出发,分析了综放工作面围岩的力学特性、结构特点及其平衡条件,讨论了直接顶与顶煤不同刚度组合对系统稳定的影响以及支架的工作特性,建立了综放采场的围岩力学模型。由此可对综放开采的矿山压力现象作出解释,并为支架的选型设计及矿山压力控制提供了依据。关键词综放开
2、采,围岩,刚度,力学模型1引言众所周知,采场支架的受力主要来自直接顶和老顶。传统的矿山压力理论都是视直接[1,2]顶为刚体,即认为老顶的下沉量可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及支柱可缩量。显然,当直接顶强度较低,尤其是放顶煤开采时,这将与实际情况有较大的误差,这也是导致综放工作面矿压显现复杂化的主要原因之一。[3～5]近年来,随着对直接顶稳定性及放顶煤开采矿山压力研究的深入,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本质以及“支架-围岩”关系等问题有了更进一
3、步的认识,这也为采场矿山压力理论的发展奠定了基础。2综放采场围岩支撑系统综放工作面围岩支撑系统如图1所示。综放开采时,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矸石来承担的,而其中直接顶的支撑基础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。因此,老顶活动对采场及支架的影响程度将取决于此二者的刚度及其与支架刚度的对比关系,而直接顶及老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。根据分析,综放工作面上方老顶及其载荷最终将由煤体、支架和后方矸石三部分来支
4、撑,即此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Fs,则有如下关系:Fs=KsDs(1)式中:Ks——支承系统刚度,即Ks=Kc+Kps+KG1995年10月7日收到初稿,1996年2月1日收到修改稿。第16卷第4期张顶立等:综放工作面围岩结构分析·321·式中:Kc—煤壁前方煤体的刚度;Kps—支架增阻阶段刚度(实为支架与顶煤的组合刚度);KG—后方垮落矸石的刚度;Ds—顶板下沉量(顶底板移近图1综放采场围岩支撑系统量)。Fig.1Supportingsystemofsurroundingroc
5、k若由于顶板下沉支架所增加的载荷inlongwallfacewithcavingmining为Fps,则有FpsKpsKps==(2)FsKsKc+Kps+KG设支架的初阻力为Po,则支架载荷为Fps′=P0+Fps(3)令Kc=KG=mKps,则Fps1=(4)Fs2m+1由式(3),(4)可见,Po一定时,随m值的增大,支架受载迅速减小,即当煤体及矸石刚度较大时,支架将受到较小的载荷。随直接顶垮落高度的增加,垮落矸石与老顶的间隙[6,7]将减小,矸石刚度相应地提高,从而减小了支架的受载,由此可以认为,直接顶垮落
6、高度的增加对支架受载是有利的。由式(4)还有,当m较小,即支架的刚度较大时,支架载荷相应地增大。由此可见,支护刚度的增大调节着其与煤体及矸石的刚度对比,当顶煤破碎或刚度较小时,则支架的刚度不能得到充分发挥,结果支架受载并不大。3砌体梁结构的平衡综放开采时,砌体梁结构仍然存在,但其形成的位置远离采场,并且在上位直接顶中可形成“半拱”式小结构,从而对采场造成影响。由对砌体梁结构的分析,并结合综放开采的特点,综放采场的砌体梁结构具有滑落失稳和回转变形失稳两种主要形式,并且以回转变形失稳更为常见,这也是综放开采砌体梁结构稳
7、定性的主要特点之一。由力学分析,可得砌体梁结构不致发生滑落失稳的条件为c32h+h1≤(tg+sin1)(5)30g4结构不致发生回转变形失稳的条件为0.15c2212h+h1≤(i-isin1+sin1)(6)g32式中:h,h1分别为结构层及载荷层厚度;c为岩层单向抗压强度;tg为块间摩擦系数;1为回转变形角;i为岩块的厚长比,即i=h/l。由式(5),(6)即可判断出老顶结构的稳定性,此即为综放开采砌体梁结构的稳定条件。·322·岩石力学与工程学报1997年4直接顶及顶煤的力学性态分析4
8、.1直接顶的力学性态分析由前述分析,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:1Kir=n(7)hi∑Eii=13式中:Kir——直接顶的刚度,kN/m;hi——直接顶各分层厚度,m;2Ei——直接顶各分层弹性模量,kN/m。若直接顶各分层的弹性
