基于梁模型的采场顶板稳定性分析.pdf

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1、第21卷第8期中国矿业VoL2l，NO．82012年8月CHINAMININGMAGAZINEAug．2012基于梁模型的采场顶板稳定一舳美吼性一一m一～l～重一m分一～．一⋯一析一曲一砒．m叩一～眦一～一脚嗽一池秀文，刘敏(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070)摘要：针对多层矿开采的特点，将采场顶板岩层假设为简支梁，结合岩梁和材料力学理论、岩石力学知识，推导出顶板最大拉应力与其上方岩层厚度之间的关系式，据此得顶板岩层与其相邻的矿层厚度比对顶板稳定性的影响。此外由采场层状顶板的跨距计算方式，得到其

2、极限跨距并作为判断顶板稳定的依据。km∞rmⅡ关键词：多层矿体；岩梁理论；最大拉应力；极限跨距中图分类号：TD856．13文献标识码：B文章编号：1004—4051(2012)08—0113-03m拊一～_一§．暑Thestabilityanalysisofstoperoofbasedonbeammodel_眦蚕～一∞一CHIXiu—wen。LIUMi“m恤(CollegeofNaturalResourceandEnvironmentEngineering，WuhanUniversityofTechnology，

3、Wuhan430070，China)眦_量～～一～一删‰多层矿体开采一直是一个世界性难题，矿体的多层矿体进一行首一次～分～层～开采，跟单层矿体开采赋存状态一般呈多个矿体重叠产出，当上、下不同矿的情形相似，不会对其他岩层的稳定性造成很大的层重复采动，多中段同时作业，就会形成面积较大且影响。但是，由于岩层的每一次开挖都对其他岩层相互影响的采空区。这样会造成采空区的不稳定造成应力扰动，在采场底板岩层中产生拉应力区。性，甚至会出现顶板大面积塌落的情况_1]，产生安全所以当继续向下开采其他矿体时，岩层的稳定性会隐患。逐层下

4、降，而且上一层矿体的底板会成为下一层矿近几十年来，很多学者对多层矿体的开采技术体的顶板，给顶板稳定性的管理带来更大的困扰l4]。做了很多研究。罗周全、周科平、古德生等人提出一因此，对多层矿体的采场稳定性的研究具有重要的种可以矿废分离的连续采矿法，弥补了传统开采方应用价值和学术意义，其中影响采场顶板稳定性的法的不足]。谈晓明、郭金峰、侯大德采取相似材料因素之一是矿层与中间夹石层的厚度变化。模拟试验和数值模拟两种方法研究多层矿开采的特当回采工作面作业完毕，采场顶板岩层主要由点，结合实际地质情况提出可行的采矿方法[3]

5、。但矿柱支撑，处于自由端状态。在大多数情况下，回采是，应用与矿山压力相关的经验公式进行多层矿体工作面沿倾斜方向的长度远大于沿走向悬露的长采场顶板岩层稳定性的研究很少。度，所以将这种情况下的采场顶板视为简支梁I5]。梁的跨距是影响其稳定性的重要因素，同理采场顶板的跨距也影响着采场顶板的稳定性。收稿日期：2O12-04—101矿层和夹石层厚度比对顶板稳定性的影响基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题资助(编号2011BAB05B03)；中央高校基本科研业务专项资金资助项目(编号如图1所示，设多层矿体的采空区顶板上方

6、由116608003)i"1层岩层组成，厚度分别为h，容重为y，弹性模量1l4中国矿业第2】卷为E。为了简化计算，取采场上方3层岩层为研究M(2hi十he)一—■～一对象，这3层岩层的上、下两层是夹石，中间层是矿石。矿石层的厚度为h，弹性模量为E。；夹石层的EE(2h+hhEhb㈤。)。一2]6+；⋯厚度分别为h、h。，弹性模量分别为E、，为方便各岩层的宽度b相等，为了简化计算，可以把b计算假设上、下岩层为相同的岩石。看作是常数1。只需知道随值变化的规律即可。简化为：二I____'________-_______

7、_M一面[E(2h+h)。一h；]+Ehi㈤～3以矿层厚度h2一lm，E1—16Pa，E2—8Pa为例，21夹石层厚度与矿层厚度之比h／h。取1、1．5、2、2．5、3、3．5、4、4．5、5、5．5、6、6．5、7、7．5、8、8．5不同比值，得到O'max与hi／hz的关系曲线，如图2所示。图1顶板岩层组成O-8O．70．6由材料力学司知：梁内任意点的正应力理论计窒0．5、§0．4算公式为：bsO_3O-2M0．1一。y(1)0式中：M为横截面的弯矩；I为对中性轴的惯性矩；^l2Y为所求点距中性轴的距离。图2

8、盯⋯／M与h／hz的关系曲线最大正应力发生在距中性轴最远的各点处，即一弯矩M只与梁所受载荷和约束条件有关，O百max。因此：1y1与／的关系曲线也就是与h／h的关系曲‰口ma一———一(2A)线了。经过函数拟合，得出矿层与夹石层厚度比值和采场顶板所受最大拉应力呈Y===0．7415X·∞三层岩层组合在一起形成复合岩梁，上、下岩层的曲线变化规律。经过分析可以发现当h／h。≤