资源描述：
《采场覆岩移动的组合岩梁理论》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、Ξ采场覆岩移动的组合岩梁理论梁运培(煤炭科学研究总院重庆分院,重庆400037)摘要:文中提出了采场上覆岩层移动的组合岩梁理论,将岩层移动的关键层、岩层组合以及层间离层统一在组合岩梁理论体系中,建立了关键层、岩层组合以及层间离层的统一判别准则;并进行了实例分析。然后对组合岩梁理论在岩层移动规律研究、地表沉陷控制以及在矿井瓦斯防治中的应用进行了深入地研究。组合岩梁理论的建立,为采场矿压和岩层移动的研究提供了一种新的思想和方法。关键词:覆岩移动;组合岩梁理论;实例分析;应用中图分类号:TD325文献标识码:
2、A采场覆岩移动规律和矿山压力是采煤行业的重要研究内容之一,现已经逐步发展成为一个独立的学科分支。其研究内容主要包括:覆岩移动破坏规律、地表沉陷及其控制;采场上覆岩层的结构及其对“支架-围岩”关系的影响;采动裂隙和离层的分布及其对地下渗流的影响。钱鸣高院士提出的岩层控制中的关键层理论1,是该领域的重要研究成果之一;从岩层移动的特点出发,国内有的学者定性地提出“可将上覆岩层按坚硬岩层分成若干个岩层组,而每一个岩层组的底板则为坚硬岩层”2;有的学者通过对离层的研究,寻求控制地表沉陷的途径。由于各个方面研究的目
3、的、出发点和侧重点各不相同,方法和手段也有区别,尚未建立统一的采场顶板岩层力学模型,未能将岩层移动中的关键层、岩层组合和离层等现象作出相互关联的解释,未能将它们联系起来形成一个统一的理论体系。本文将岩层移动中的关键层、岩层组合和层间离层统一起来,提出了组合岩梁理论。组合岩梁理论的建立采场顶板是由岩性、强度和厚度各异的岩层,按一定顺序组合在一起形成的多个不同的岩层组合。在每一个岩层组合中,位于最下层的岩层是关键层,它的移动和破坏控制着整个岩层组合的活动。在相邻的两个岩层组合之间由于变形不协调,将产生层间的
4、动态离层。1.1采场覆岩的组合岩梁力学模型为了对采场上覆岩层内的应力进行定量分析,对岩层的移动和破断规律进行研究,需要明确采场覆岩的力学模型。采场覆岩是在特殊的沉积环境下形成的层状岩体,其变形和破坏过程1Ξ收稿日期:2001205209作者简介:梁运培(19712),男,硕士,工程师,从事煤矿安全方面的科研工作。342地下空间第21卷与组合板相似,可将其视为由不同厚度、不同岩性的岩板有序叠合而成的组合岩板。这种组合板状岩体的变形机制,可以抽象为岩层在采矿扰动下发生的多组组合岩板的弯曲组合。由于回采工作面
5、倾向方向的长度远大于老顶岩层走向的悬露跨距,因此,可以将顶板岩层的组合岩板模型简化为组合岩梁模型,如图1所示。组合岩梁中任一层岩梁及岩梁上任意一点的受力分析,见图2所示。1.2岩梁上覆岩层载荷的确定假定顶板第一层岩层到第n层岩层为一图1采场覆岩组合岩梁力学模型A.采空区B.岩层组合C.关键层D.层间离层个岩层组合,根据材料力学的组合梁原理,岩层组合每一截面的剪力Q和弯矩M都由n层岩层中各层的小截面来承担,其关系为:Q=Q1+Q2+Q3++Qn;+Mn。M=M1+M2+M3+各层岩层的曲率ki与弯矩(Mi
6、)x的关系是:1(Mi)x(1)ki==ΘiEi‘Ji式中:Θi—第i层岩层的曲率半径;Ei—第i层岩层的弹性模量;Ji—第i层岩层对中性轴的断面矩。当岩梁的宽度为b时,其断面矩为:Ji图2岩梁受力分析原理图=b·h3/12;若取岩梁为单位宽度b=1,则有Ji=h3/12,hi为第i层岩层的厚度。ii对于(1)式,各岩层组合在一起,由于层状岩体中层面上的抗剪切能力较弱,而且岩层的曲率半径较大。因此,岩层组合中各岩层的曲率必然趋于一致,从而导致各岩层间的弯矩重新分配,便形成了如下的关系:M1M2MnE1‘
7、J1=E2‘J2==En‘Jn;而(M)x=(M1)x+(M2)x+(M3)x++(Mn)x;又有dM=Q,dQ=q,所以有:dxdx(q1)x=E1‘J1‘(q)x;‘J+E‘J++E‘JE1122nn式中:qx=Χ1h1+Χ2h2++Χnhn,Χi为第i层岩层的容重。(q1)x为考虑到第n层岩层对第一层岩层的影响时,所形成的载荷,即(qn)1;将Ji=h3/12i代入得:E1‘h3‘(Χ1‘h1+Χ2‘h2++Χn‘hn)1(qn)1=(2)E1‘h3+1E2‘h3++En‘h32n在计算上覆岩层对
8、第一层岩层的载荷时,当计算到(qn+1)1<(qn)1时,则以(qn)1作为作用2001年第5期梁运培:采场覆岩移动的组合岩梁理论343于第一层岩层单位面积上的载荷。1.3关键层、岩层组合及离层的确定采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层,其中某些坚硬岩层对全部或局部覆岩的活动起着决定作用,这些起着决定作用的岩层就是关键层1,关键层下沉时,整个岩层组合的下沉与它是同步协调的;关键层破坏前,以梁的形式作为整个岩层组合的承载主体(见图1),破断后常以
