道清煤矿动力现象机理研究

《道清煤矿动力现象机理研究》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、道清煤矿动力现象机理研究1动力现象区域地质概况北斜井本部属于一不对称向斜构造，南翼陡以至于直立、倒转，北翼地层较缓，约35°，其向斜轴为北东至近北东东向，向东倾伏，倾伏角30°左右，轴部标高为+475~-800m。煤层赋存的强烈不协调，局部区域煤层倒转。如煤层倾角变化较大，基本以倾斜和急倾斜为主；煤层厚度变化非常大，最小为0.6m，最大达26.81m，是典型的凸镜状煤层。煤层结构复杂，一般多由2~3个分煤层组成，多者由十余个分煤层组成。煤层顶板岩相变化较大，为砂岩或砂页岩，底板为页岩或砂页岩，易于隆起。2动力现象发生机理及发生条件分析煤体压缩型动力现象机理及发生条件研究由于采矿活动而形成

2、的煤岩结构，其组成材料为煤和岩石，煤岩结构中的一部分材料不可避免地要在超过峰值强度的塑性区工作。特别是煤体，其抗压强度远低于围岩的抗压强度，成为煤岩结构中的薄弱部分。试验表明，煤（岩）试件具有应变软化性质和变形局部化现象。煤岩结构的变形向某一具有一定尺度的区域集中，煤岩结构系统由平衡态向非平衡态过渡，当受到外界扰动时，煤岩结构失稳而产生煤体压缩型动力现象。在一定的采场空间内，开采前煤岩体结构承受原始应力的作用，包括由自重应力、构造活动引起构造应力、采空区内煤岩几何形状及性质不均匀引起的结构应力，以及由于地质历史形成在采空区煤岩体内残存的应力，这些都构成了煤岩体的原始应力水平，是煤岩体的应

3、力基础。在原始应力和采动应力作用下，较坚硬的顶、底板将煤体夹持。煤体夹持阻碍了深部煤体自身或煤体—围岩交界处的卸载变形。随着工作面的开采，上覆坚硬顶板悬露弯曲下沉，使煤体被更加压实，承受更高的压力，煤体夹持作用增强，系统积聚的弹性能增加，如图5.3所示。且沿倾斜方向，离采场煤壁越近，夹持力越大，反之越小。1图5.3采场与煤体夹持示意图随着开采的进行，采空跨度增大，煤体所受夹持力增强，煤体由弹性区向弹性-塑性软化区、塑性软化区发展。结合发生煤体压缩型动力现象发生的实际情况，建立力学模型如图5.4。图5.4采场的简化模型假设煤层沿水平走向和沿轴方向无限长，取单位宽度计算。采空区跨度为，煤层高

4、度为。顶板为剪切梁，等效剪切模量。顶板所受上部岩体压力为均匀分布，挠度为下部煤层受压力、剪力作用。采空区较小时，煤层产生弹性变形，存在软化区临界位置；当时，煤层开始软化；当时，煤层软化区深度为；继续开采至一定深度时，产生动力现象。随着载荷的增长，软化区范围逐渐扩大，并存在一个极值点。在极限载荷作用下，采煤工作面处于临界状态。采煤工作面的稳定性取决于上部载荷和采空跨度带来的扰动。根据极值点失稳理论，煤体压缩型动力现象地压的发生判据为：或(5-5)1软化区临界位置的确定：因煤层在时，只发生弹性变形，由得到：(5-6)工作面煤层出现软化区后，如果继续向前推进，软化区将扩大，煤体所受夹持作用降低

5、，围岩-煤煤间的摩擦系数见小，煤体沿层面卸载、移动能力增强。利用时煤层变形的连续条件及发生判据5-7，得到煤层软化区最大深度为：(5-7)式中——煤层高度；——煤层与顶、底板之间的摩擦系数；——降模量；——临界时等效应变强度，；——弹性模量；。当采空区跨度达到最大深度时，软化区煤体将不能承受顶板的压力，在水平应力作用下失去稳定，释放积聚的弹性能，向工作面方向涌出，发生煤体压缩型动力现象。B）顶板断裂型动力现象机理及发生条件研究顶板的稳定性主要受拉应力控制，岩石微破裂的发生、发展是拉深破裂的结果，每个拉伸破裂都是一次拉伸失稳释放能量的过程。在井下采煤1工作面经常会感觉到这类拉伸失稳而产生的

6、震动。在一定的条件下，特别是在坚硬且完整的岩层中，将会出现较大范围的拉应力区而发生微破裂。由于不断受到扰动，微破裂不断增加，平衡状态的稳定性逐渐减小，当最后处于稳定平衡的极限状态时，微小扰动引起的微破裂造成雪崩式的连锁反应，发生拉伸失稳破坏，顶板岩层突然裂开，产生宏观裂缝，使得系统储存的弹性能迅速释放而发生顶板断裂型动力现象。顶板承受的内力由弯矩、扭矩和剪力组成。当某区域的拉应力增大到临界值时，就会发生动力现象，分析得出顶板的每次拉伸破裂而发生动力现象的条件为：（5-8）式中分别为岩石的等效拉应力和顶板岩体的抗拉强度。为了描述岩体结构在拉应力作用下的失稳破坏现象，采用分段线性的材料本构关

7、系对顶板的应力状态和稳定性进行分析。图5.5为图5.2的简化图，简化图中认为压应力和压应变是线弹性的弹性模量为。取岩梁某一特征面(图5.6)为研究对象，在最大应力达到强度极限之前，横截面上各点的应力沿高度呈线性规律分布(图5.6)。设在距离中轴处的应力达到时，横截面上弯矩达到极限值，此时应力分布如图5.6所示，受压应力合力为：（5-9）受拉区拉应力的合力为：（5-10）设，由三角形相似，有1（5-11）由平衡条件，，并设整理得到解方