采場(chǎng)上覆巖層垮落步距計(jì)算方法

1、采場(chǎng)上覆巖層垮落步距計(jì)算方法摘要：影響采場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)巖層由直接頂和老頂組成。本文主要利用“板”模型 和“梁”模型對(duì)直接頂初次垮落步距、老頂初次來(lái)壓步距和老頂周期來(lái)壓步距進(jìn) 行推算，為工作面頂板管理提供技術(shù)支持，確保采煤工作面安全生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：板模型；梁模型；直接頂初次垮落步距；老頂初次來(lái)壓步距；老頂 中期來(lái)壓步距1直接頂初次垮落步距初次運(yùn)動(dòng)階段，直接頂將首先垮落。工作面從開切眼開始推進(jìn)，直接頂懸露 跨度增大，當(dāng)達(dá)到其極限跨度時(shí)直接頂將垮落。 直接頂初次垮落標(biāo)志是：直接頂 垮落長(zhǎng)度達(dá)工作面長(zhǎng)度一半，垮落高度達(dá) 1m以上。直接頂初次垮落時(shí)，從開切 眼到支架后排放頂線的距離叫做直接頂初次垮落步距。直接頂

2、初次垮落又稱工作面初次放頂。直接頂初次垮落步距是衡量頂板完整 程度的重要指標(biāo)。直接頂?shù)某醮慰迓洮F(xiàn)象是一種典型的礦壓顯現(xiàn)。1.1利用“板”模型計(jì)算將直接頂視為工作面上方的“板”，利用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)得到的“板”極 限破壞步距公式進(jìn)行計(jì)算求解。眇44-t kmLoz = I 值 ,口 =，qy(1)3 - 2 / b1.3 cos ;式中，Loz為直接頂初次垮落步距；為巖層抗拉強(qiáng)度；k為巖層的龜裂系 數(shù)，k =0.250.75; m為巖層厚度；b為工作面斜長(zhǎng)，；?為巖層容重；a為工作 面傾角。根據(jù)具體工作面幾何尺寸、直接頂厚度以及巖性，取得式中參數(shù)，計(jì)算 出結(jié)果。1. 2利用“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型計(jì)算

3、1.2.1按固支梁計(jì)算L1 = hJRt-(2),q1.2.2 按簡(jiǎn)支梁計(jì)算五L1 =2h 欄(3)V3q1.2.3 考慮最大剪應(yīng)力計(jì)算Li4hRs3q(4)式中，Li為直接頂初次垮落步距；h為直接頂厚度；R為巖層抗拉強(qiáng)度；Rs 為巖層抗剪強(qiáng)度；q為直接頂所承受的載荷。采場(chǎng)覆巖中的任一巖層所承受載荷除自重外， 一般還受上覆臨近巖層的相互 作用所產(chǎn)生的載荷。一般來(lái)說(shuō)，采動(dòng)巖層的載荷是非均勻分布的， 但為了分析問(wèn) 題的方便，假設(shè)巖層載荷為均勻分布。假設(shè)煤層上方共有m層巖層，如圖1所示?？紤]第n層對(duì)第1層影響形成的載荷，按下式計(jì)算：qn 1Eihi3 ihl2h2nhn333EihE2h2.Enhn

4、(5)式中，E為巖層的彈性模量；hi為巖層的厚度；r為巖層的容重當(dāng)S書）。1時(shí)，說(shuō)明第n+i層對(duì)第1層載荷不起作用。此時(shí)，直接頂所 承受載荷為q=qi+ qn 1川川IIqIIIMI 山 Imn圖1巖層載荷計(jì)算圖顯然，在同樣的條件下，由簡(jiǎn)支梁計(jì)算所得直接頂初次垮落步距要比由周支 梁計(jì)算所得的小。在一般情況下，由于彎矩形成的極限跨度要比剪切應(yīng)力形成的 極限跨度小，因此常按彎矩來(lái)計(jì)算直接頂初次垮落步距。在什么條件下應(yīng)按簡(jiǎn)支 梁或按固支梁計(jì)算，需根據(jù)煤層賦存深度及邊界煤柱兩側(cè)采空的情況來(lái)定。1 . 3利用“傳遞巖梁”理論計(jì)算當(dāng)工作面長(zhǎng)度明顯大于巖層初次垮落步距時(shí)，可用“傳遞巖梁”理論近似計(jì) 算直接頂

5、初次垮落步距。1.3.1直接頂由單一巖層組成如圖2所示。(6)式中，Loz為直接頂初次垮落步距；Mz為直接頂厚度；h】為巖層極限抗拉 強(qiáng)度;為為巖層容重。1.3.2直接頂由多個(gè)分層組成直接頂由多個(gè)分層組成時(shí)，先利用撓度法判斷相鄰分層的運(yùn)動(dòng)組合情況，再計(jì)算出各具有不同運(yùn)動(dòng)特性分層的垮落步距， 取其平均值作為直接頂?shù)某醮慰迓?步距。如圖3所示。相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)則：EsmS2 4.254工2相鄰巖層分別運(yùn)動(dòng)則：Esm2<1.254Ecm2（8）式中，Es為下位巖層的彈性模量；ms為下位巖層的厚度；Ec為上位巖層的彈性模量；mi為下位巖層的厚度。假設(shè)直接頂從下往上由m|、m2、mi和m4四個(gè)分層

6、組成。其中m|和mi同時(shí) 運(yùn)動(dòng)（mi為支托層，m2為隨動(dòng)層）；m3和m4同時(shí)運(yùn)動(dòng)（m3為支托層，m4為隨動(dòng) 層）。Loz12ml和m2同時(shí)垮落的步距為:(9)m3和m4同時(shí)垮落的步距為:Loz34(10)此時(shí)，直接頂初次垮落步距預(yù)測(cè)為L(zhǎng)oz12 ' Loz34 o圖3多分層直接頂2老頂初次來(lái)壓步距隨著工作面的推進(jìn)，老頂就逐漸彎曲下沉，當(dāng)達(dá)到極限跨度時(shí)斷裂下沉。這 時(shí)工作面頂板下沉加快，煤壁片幫嚴(yán)重，支架受力增大，甚至發(fā)生頂板的臺(tái)階下 沉。工作面自開切眼推進(jìn)以來(lái)，老頂巖梁初次斷裂，使工作面支架承受較大的靜 載或沖擊載荷，這種礦山壓力顯現(xiàn)叫做老頂初次來(lái)壓。 老頂初次來(lái)壓時(shí)，由開切眼到工作面

7、煤壁的距離叫做老頂初次來(lái)壓步距。2. 1利用“板”模型計(jì)算由于老頂強(qiáng)度較大，來(lái)壓前呈懸露狀態(tài)。因此，可將老頂視為懸露的薄板。根據(jù)板結(jié)構(gòu)的破損極限分析建立老頂初次來(lái)壓步距的計(jì)算方法。1 / 2, c /Mp、lm = 2冷 p（11）<q J式中，lm為老頂初次來(lái)壓步距；Mp為老頂單位極限彎矩，Mp =回丫； k6為巖層的龜裂系數(shù)，k=0.250.75;叫為巖層抗拉強(qiáng)度；h為老頂巖層厚度；q為 老頂載荷。2. 2利用“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型計(jì)算符（12）式中，Lb為老頂初次來(lái)壓步距；h為老頂巖層厚度；R為巖層抗拉強(qiáng)度；q為老頂頂所承受的載荷，按式（5）計(jì)算。2. 2利用“傳遞巖梁”理論計(jì)算因此，

8、可將老頂視由于工作面沿傾斜方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于沿走向懸露的跨度。為一端由工作面煤壁支撐，另一端由邊界煤柱支撐的嵌固梁。利用公式（2）計(jì)算老頂初次來(lái)壓步距為：C02Me(13)E3老頂周期來(lái)壓步距老頂初次來(lái)壓后，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂巖梁周期性斷裂，工作面周 期性出現(xiàn)頂板下沉加快、煤壁片幫嚴(yán)重、支架受力增大以及頂板臺(tái)階下沉等。這 種由于老頂周期性斷裂引起的礦山壓力顯現(xiàn)叫做老頂周期來(lái)壓。3. 1利用“板”模型計(jì)算一后（14）式中，L為老頂周期來(lái)壓步距；h為老頂巖層厚度；卬為巖層抗拉強(qiáng)度；q 為老頂載荷，按式（5）計(jì)算。3. 2利用“梁”模型計(jì)算3.1.1 利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算由于支承條件和受力情況的變

9、化，周期來(lái)壓步距C與初次來(lái)壓步距Co相比要 小得多。一般取C= （1/41/3） Co。周期來(lái)壓步距C和初次來(lái)壓步距Co的這種關(guān) 系，在我國(guó)很多礦井的回采工作面生產(chǎn)實(shí)踐中得到了證實(shí)。3.1.2 按照懸臂梁結(jié)構(gòu)計(jì)算老頂初次來(lái)壓結(jié)束后，老頂巖梁可近似看成是懸臂梁受力狀態(tài)。(15)3.1.3 利用遞推公式計(jì)算變化后的老頂初次來(lái)壓結(jié)束后，其受力條件和支承條件發(fā)生了根本性變化。老頂受力狀態(tài)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)不等高支承的較接巖梁。因此，可用遞推公式進(jìn)行 計(jì)算。(16)_1 _1_ 24Me L.t 1Ci ，1 = - - QCii 12 i 2 i 3 E由式（11）可以看出，各次周期來(lái)壓步距并非都完全相等，而是呈一大一小 的周期性變化。這個(gè)變化將隨來(lái)壓次數(shù)的增加，差值越來(lái)越小。由式（11）可以分別求出周期來(lái)壓步距 G、C2、C3，Cn。取其平均值即得老頂周期來(lái)壓步距C=C1 C2 C3 -Cn 。n4結(jié)論文章從理論的角度利用2種不同的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型推算直接頂初次垮落步距、 老頂初次來(lái)壓步距以及老頂周期來(lái)壓步距， 為工作面頂板管理控制，工作面安全 生產(chǎn)提供了理論支持。理論計(jì)算結(jié)果還要結(jié)合工作面直接頂和老頂實(shí)際垮落情 況，最終確定頂板垮落步距。參考文獻(xiàn)：1譚云亮.礦山壓力與巖層控制M.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.2鄒喜正.礦山壓力與巖