长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研究
水采区复采长壁式工作面开采技术探讨
２ ２ 第１ ０年 期 １
东 斜技 晨
１ ３ ７
工作 面采用 ３～ ４峒控顶方式 ， 单体 液压支柱 与铰接顶 梁配合成前悬 臂支 护 ， 部垮落 法管 理顶 板 。最 大控 全
顶 距 ４ ２ 最 小 控 顶 距 ３ ２ 放 顶 步 距 为 １ Ｏ 贴 帮 ．ｍ， ． ｍ， ． ｍ，
１６ ３
东撼晨 舛技
２１年第１ ０２ 期
水 采 区复 采 长 壁 式 工 作 面 开 采 技 术探 讨
姜 广林 ， 吉静 ， 李 于成 国
（ 矿 集 团联 创 公 司 ， 东 枣 庄 枣 山 ２７１ ） ７ ０ １
摘 要 枣矿联创 公司针对矿井煤炭资源接近枯竭的实际情况， 行了水采 区长壁武工作面复采技术研究。该文重点介绍 了水采 区长壁 式工 进 作面复采技术及施工措 施。通过 实践 ， 水采 区长壁式工作面复采切实可行 ， 取得 了较好 的经济效益 ， 安全可靠 ， 具有一定 的推广 应用价值。
采煤工艺 为 ： 打眼 、 短壁 注水 一 装 药一 放 炮 一 挂
梁、 支设贴帮柱 一攉煤一 移 溜一 支 柱一 回柱放顶一 回
收溢煤 。 ２ ４ 工 作 面 支 护 方 式 ． ．
水采 区的原始煤层平均厚度为 ４ ０ ． ｍ左右 ， 根据 回
采巷道 的揭露情况 ， 水采后剩余 煤层厚度 １０～ ． ｍ， ． ３０ 煤层 的老顶 为中粒石英砂岩 ， 直接顶为再 生顶板 ， 特征 为砂岩砾块 ， 质胶结 ， 泥 胶结 性差 ， 完整性 差 。直 接底 为沙质页岩 ， 特征 为靠近煤层 处有 ０ １～ ． ｍ的根土 ． ０３ 岩， 老底 为中粒石英砂岩 。煤层倾角为 ９ ， 。地质构造较 简单 ， 为单 斜构 造 ， 但水 采 区 的剩 余煤 层 厚度 变 化较 大， 顶板破碎 ， 采煤影 响较大 。 对
采场围岩控制理论与实践综述及展望
２ 采 场 顶 板 运 动参 数 预 测 研 究
采 场 顶 板 的运 动 参 数 主 要 有 直 接 顶 初 次 垮 落 、老 顶 初 次 来 压 和 周 期 来 压 步 距 及 侧 向跨 度 等 。这 些 参 数 是 与 地 质 条 件 和 开 采 条件 有 关 的 综 合 指 标 ， 当 面 长 、 边 界 及 顶 板 条 件 等 变 化 时 ．来 压 步 距 也 变 化 ．相 邻 工 作 面 的 实 测 数 据 不
能 完 全 套 用 。 因此 ，预 测 顶 板 运 动 参 数 可 为 开 采 前 的 设 计
板结构 理论体系一
１ １ 砌 体 梁 理 论 ．
。
钱 鸣 高 院 士 借 助 于 大 屯 孑 庄 矿 开 采 后 岩 层 内 部 移 动 观 Ｌ 测 资料 ．提 出 了 “ 体 梁 ” 学 说 ，认 为 老 顶 由 多 块 断 裂 后 砌 像 “ 体 ” 一样 铰 接 而 形 成 的结 构 组 成 。该 学 说 系 统 研 究 砌 了 裂 隙 带 岩 层 形 成 结 构 的 可 能 性 和平 衡 条 件 ： 。从 建 立 该 理 论 的 假 说 条 件 可 看 出 ，该 结 论 更 适 用 于坚 硬 岩 层 的 采 场 。
梁 、顶 生裂 隙 岩 梁 及 铰 接 岩 梁 假 说 等 。 我 国 矿 山 压 力 工 作 者 经过 多 年 的 研 究 和 实 践 ，逐 步 形 成 了 具 有 自己 特 色 的 顶
大 的 硬 岩 层 ，但 覆 岩 中 的 厚 硬 岩 层 不 一 定 都 是 关 键 层 。 其
实 质 是 进 一 步 研 究 硬 岩 层 所 受 的 载 荷 及 其 变 形 规 律 ，进 而 了 解 影 响 工 作 面及 地 表 沉 陷 的 主要 岩层 及 其 变 形 形 态 。
浅析煤矿开采技术
硬厚 顶煤 控制 技术 ， 研究 开发 埋深浅 ， 支 承压力小 条件 硬厚顶 煤 的快 速处
理 技术 ， 包括 高压注 水压裂 技术 和顶煤 深孔 预爆破 处理 技术 ， 使顶煤 体能 随采 随冒， 提高 其 回收率 。 顶煤 冒放 性差 、 块度 大 的综放开 采成套 设备 配套 技术 ， 研 制 既有 利于顶煤 破碎 和顶板 控制 。 又有 利于 放顶煤 的新 型液压 支架 ， 合理确 定 后 部置 输送机 能力 。 两硬条 件 下放顶煤 开采快 速推 进技术 ， 研究合 适的综 放开 采回采 工艺 ， 优 化 工序 ， 缩 短放煤 时 间， 提 高工作 面 的推进 度 ， 实现 高产 高效 。
矿井开 采技术 以提高工 作面单 产和生产 集 中化为 核心 ， 以提 高效率和 经济效益
为 目标 ， 研 究开 发各种 条件 下的高 效能 、 高可 靠性 的采煤 装备 和工艺 ， 简单 、 高 效、 可靠 的生 产系统 和开 采布置 ， 生产 过程监 控与 科学管 理等 相互配 套 的成 套 开 采技术 ， 发展 各种矿 井煤层条 件下 的采煤 机械 化 ， 进步 改进工 艺和装备 ， 提高 应 用水平 和扩 大 应用范 围 ， 提 高采煤 机械 化 的程度 和 水平 。
术。
基本 顶相互 作用 关系 ； 运 用离散 元等方 法研 究顶煤 放落规 律 ， 提 出放 顶煤 优 化准则 和提 高顶 煤 回收率 的途径 。 ５ ． ４ 支护 质量与顶 板动 态监测 技术 在总结 缓倾斜 中厚 长壁 工作面开展 支护质量 与顶板动 态监测方 面 ， 应进一 步在 坚硬顶 板 、 破 碎 顶板 、 急倾 斜 、 放 顶煤 工作 面开 展支 护质 量与 顶板 动态 监 测， 同 时应不 断完善 现有 的监测 技术 ， 发展智 能化 监测 系统 ， 改进 监测仪 表 ， 使 监 测仪表 向直 观 、 轻便 、 小 型化 方 向发展 。 ５ ． ５ 冲 击地压 的预测 和防治 通过计算机 模拟研究 冲击 眭矿压 显现 发生的机 理 Ｉ 进—步完善 冲击性矿压 显 现监 测系统 ， 发展 遥控 测量和 预报技 术 ， 完善 冲击性 矿压综 合 防治措施 的优 化 选择 专家 系统 。 ５ ． ６研 究 开发新型 的支护 设备
巷道围岩结构的力学模型
巷道围岩结构的力学模型一、引言巷道是地下工程中常见的施工形式，其围岩结构对工程的安全和稳定性起着重要作用。
为了研究巷道围岩结构的力学行为，提高巷道的设计和施工质量，人们提出了一系列力学模型。
本文将介绍巷道围岩结构的力学模型及其应用。
二、刚体力学模型巷道围岩结构最简单的力学模型是刚体力学模型。
在该模型中，围岩被视为刚体，不考虑其变形和开裂。
这种模型适用于围岩较坚固、没有明显变形的情况。
通过刚体力学模型，可以分析巷道的稳定性和受力情况，为巷道的支护设计提供依据。
三、弹性力学模型弹性力学模型是对围岩结构进行弹性变形分析的模型。
在这种模型中，围岩被视为弹性体，符合胡克定律。
通过弹性力学模型，可以分析巷道围岩的应力分布、变形和开裂情况，为巷道的支护设计提供更精确的依据。
四、塑性力学模型塑性力学模型是对围岩结构进行塑性变形分析的模型。
在这种模型中，围岩被视为具有一定塑性变形能力的材料，考虑了围岩的强度和变形特性。
通过塑性力学模型，可以分析巷道围岩的破坏机制和塑性变形区域，为巷道的支护设计提供更可靠的依据。
五、岩体力学模型岩体力学模型是对围岩结构进行综合力学分析的模型。
在这种模型中，考虑了围岩的岩石力学性质、结构面等因素。
通过岩体力学模型，可以分析巷道围岩的强度、变形和断裂等特性，为巷道的支护设计提供全面的依据。
六、数值模拟模型数值模拟模型是一种基于计算机仿真的力学模型。
通过建立巷道围岩的有限元模型或离散元模型，对巷道进行力学分析和模拟，可以预测巷道围岩的稳定性、变形和破坏情况。
数值模拟模型具有较高的精度和灵活性，已成为研究巷道围岩力学行为的重要工具。
七、模型应用巷道围岩结构的力学模型在工程实践中得到了广泛应用。
通过力学模型的分析，可以评估巷道的稳定性，确定合理的支护措施并优化设计方案。
此外，力学模型还可以指导巷道施工过程中的安全管理和监测，及时预警并采取措施应对潜在的风险。
八、结论巷道围岩结构的力学模型是研究巷道力学行为的重要工具，通过不同的模型可以分析巷道围岩的稳定性、变形和破坏情况。
长壁综采工作面底板隔水关键层力学性能分析
示 较为均 质 。
Ｒ Ｐ： Ｆ Ａ。 矿压模 型见 图 １ 。模 型左 、 右两 侧 为水平 方向位移约束 ， 部为铅 垂方 向位移 约束 。上表 面边 底 界受向下的均布载荷作用 ， 分布集度 ｑ＝２５Ｍ ａ ． Ｐ。
图 ３ 工作面推进 ７ ０ｍ
图 １ Ｒ Ｐ ２矿 压 模 型 Ｆ Ａ。
２０ 年 ６ ０８ 月
矿 业 安 全 与 环 保
第３ 卷第３ ５ 期
作 面推进 时上覆岩 层垮 落及底 板 的变 形破 坏情 况 进 行数 值 模 拟 。Ｒ Ｐ ２矿 压 模 型 工 作 面 推 进 方 向 取 Ｆ Ａ。
４０ｍ， ０ 铅垂 方 向取 ２０ ｍ， ０ 基元 取 １ｍ×１ｍ， 总基 元 数 为 ４０×２０＝８ ０ ０ ０ ００ ０个 。每步 开 挖 １ 开挖 ２ ０ｍ， ０
从事计算力学方面的研究。Ｅ —ｍｓ ：ｈｎ ａ ｕ ６ ．ｏ Ｊ Ｃ ｕｆｉ ＠１３ ｅｍ。 ］ ｌ —ｄ
２ １ Ｒ Ｐ ２力学模 型 ． Ｆ Ａ Ｄ
用岩 石 破 断 过 程 分 析 软 件 Ｒ Ｐ ２ Ｆ Ａ
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维普资讯
煤 炭资 源 的安 全 高 效 开 采 是 我 国经 济 高速 、 健 康发 展 的重要 保证 ［。近 年来 随着 煤 炭 产量 的大 幅 １ ］ 提 高 ， 采 中的动 力灾 害 突发 事故 频 频 发生 ， 作 面 开 工
采场矿压新理论知识
砌体梁学说、弹性地基梁学说、梁拱学说、关键层学说，以及经典的四大 学说（压力拱、悬梁、预成裂隙、铰接岩块）介绍如下：
1、固支梁学说
该假说认为，当相邻采区未开采 或不受断裂影响时，且回采工作面上 方有强度高岩层存在，其下方软岩层 垮落后，不能充满采空区，且工作面 长度远大于跨度时，可以认为位于工 作面上方的强度高（硬且厚）岩层是 插入前后方岩体中的无数个单位宽度 的固支梁 。
回采工作面在砌体梁的保护 下，当结构稳定时，上方载荷 通过该梁传递到前方煤壁和后 方采空区矸石或煤柱上，采场 支架仅承受岩梁下直接顶载荷。 当岩梁失稳时，结构将对支架 产生冲击载荷。
(a)
(b)
图3-8 砌体梁结构模型
a——初采阶段，b——正常回采阶段
2、传递岩梁理论
该理论中科院院士宋振骐提出的，该学说认为在长壁回采 工作面上方存在着一个能够传递其上方载荷的岩层，由于该岩 层跨度一般远小于工作面长度，故可视为平面问题讨论的梁， 即所谓传递岩梁。
二、老顶的分级
p e 2.3 4 ln L 1 1 ) ( 1.5 k 5 m 5.6 M 2
式中：L1——老顶初次来压步距，m； km——直接顶充填系数，即直接顶厚度与采高比值； M——煤层采高，m。
老顶分级 老顶来压
显现
分级指标
老顶按老顶初次来压当量pe（kPa)分级
I 不明显
II 明显
坚硬 Ⅴ ＞32
＞2.76
＞2.16
＞41.79
厚层砂质页岩、粉砂 岩、砂岩
底板比压（底板载荷集度） ：支架底座对底板造成的单位面积上的压力。
我国缓倾斜回采工作面底板分类方案
中国矿大《采矿学》习题集
《采矿学》习题集（徐永圻主编. 采矿学. 徐州: 中国矿业大学出版社，2003）总论1. 《采矿学》研究的基本内容是什么？2. 井田内的划分？阶段与水平的基本概念？采区、盘区、带区的基本概念？3. 矿井开拓、准备及回采的含义及作用是什么？4. 何谓采煤方法？5. 我国较广泛采用的采煤方法有哪几种？应用及发展概况如何？6. 简要说明《采矿学》各分支学科研究的主要内容及方向。
第一篇长壁采煤工艺第一章长壁工作面矿山压力显现规律1. 解释最大、最小控顶距，放顶步距，伪顶，直接顶，基本顶，矿山压力，矿山压力显现的概念。
2. 什么叫支承压力？工作面周围支承压力的分布规律如何？影响支承压力分布的主要因素是什么？3. 简述长壁工作面顶板来压的一般规律？初次来压和周期来压步距的估算方法是什么？4. 试述工作面来压预报的机理和方法。
5. 简述直接顶、基本顶、底板的分类方法和分类指标。
6. 采高、控顶距、工作面长度、推进速度、倾角对工作面矿山压力显现的影响如何？7. 简述长壁工作面覆岩移动的一般规律。
为什么要研究裂隙带岩体的移动结构？8. 试述压力拱结构、砌体梁结构、传递岩梁结构、悬梁结构、假塑性梁结构的异同点及适用条件。
第二章破煤、装煤原理及装备1. 简述影响破煤的煤层物理机械性质有哪些？2. 简述爆破落煤的炮眼布置及其适用条件？3. 试述采煤工作面的装药结构和爆破工艺？4. 试述截齿破煤过程？刀形齿和镐形齿的优缺点？5. 什么是左、右螺旋滚筒？其旋转方向为什么是固定的？6. 螺旋滚筒的主要参数有哪些？它们对装煤效果的影响如何？7. 薄煤层采煤机有何特殊要求？为什么？8. 刨煤机有几种？各有何优缺点？适用条件如何？9. 试述采煤机选型原则。
影响采煤机选型的主要因素有哪些？第三章煤的运输及装备1. 简述刮板输送机的主要组成部分与运送煤炭的工作原理和使用范围。
2. 简述工作面刮板输送机的类型、优缺点与适用条件。
3. 工作面刮板输送机运转时应注意的主要事项有哪些？4. 试述桥式转载机的转载原理。
矿山压力及其控制习题及解答 全面总结
1．什么是矿山压力和矿山压力显现？答：地下岩体被采动以前，在其自重的作用下形成的原岩应力是处于平衡状态的。
当在煤、岩体内开掘巷道或进行回采工作时，就会破坏原来的应力平衡状态，引起岩体内的应力重新分布。
这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用于巷硐支护物上的力定义为矿山压力。
由于矿山压力的作用在巷道、回采工作面引起的一系列力学现象，如围岩的变形或挤入巷道，岩体破坏、移动或冒落，煤体被压碎、片帮或突然抛出，支架的变形或破坏，充填物产生压实，岩层和地表的移动或塌陷等，这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，统称为矿山压力显现，简称为矿压显现。
第二章矿山岩体的原岩应力及其重新分布一、内容提要1 ．岩体内原岩应力的概念岩体内形成原岩应力的主要原因有两种，由于岩体自重而引起的自重应力和由于地质构造运动而引起的构造应力。
自重应力是形成岩体垂直应力和水平应力的根本原因。
构造应力主要是指水平应力。
在矿山地质构造简单地区的岩体可能只有自重应力，在地质构造复杂地区的岩体中可能同时有自重应力和构造应力存在。
二、习题1．什么叫原岩应力状态，对原岩应力状态有几种假说？答：地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体叫做原岩。
原岩的原始应力状态。
原岩所处的应力状态叫做原岩的原始应力状态。
关于原岩的应力状态有两种假说：（1）弹性假说，认为岩体处于弹性状态，其受力与变形的关系附合虎克定律，在垂直应力作用下将在岩体中引起水平应力的作用，其侧压系数λ＝0.25～0.43。
（2）静水应力状态假说，认为在地下深处的岩体由于长期的地质作用和岩石的拐变作向应力和垂直应力趋于相等，即侧压系数λ=1。
第三章 回采工作面上覆岩层活动规律及其分析一、内容提要1．老项岩层的梁式平衡回采工作面自开切眼向前推进一段距离以后，直接顶开始垮落，老顶悬露于采空区之上而未折断，类似于一端由工作面前煤壁支撑，另一端由边界煤柱支撑的两端固定的梁。
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第30卷第2期煤 炭 学 报V o.l 30 N o .2 2005年4月J OURNAL OF C H I N A COAL SOC I ETY A pr . 2005 文章编号:0253-9993(2005)02-0172-05长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研究陈忠辉1,谢和平1,2,李全生3(1 中国矿业大学(北京)岩石力学与分形研究所,北京 100083;2 四川大学,四川成都 610065;3 中国中煤能源集团公司,北京100011)摘 要:针对长壁工作面顶板垮落具有局部、分段、迁移的时空特征,将长壁工作面采场顶板划分成若干个相互铰接的薄板,建立了薄板组力学模型.利用弹性力学薄板理论和数值方法分析了几种支承条件下薄板的应力和挠度分布,并研究其垮落条件.从理论上解释了沿工作面方向顶板垮落及其来压特征,在工程上得到了很好的验证.关键词:长壁工作面;采场顶板;薄板群模型中图分类号:TD31 文献标识码:A收稿日期:2004-08-02基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412707);国家自然科学基金资助项目(10372111) 作者简介:陈忠辉(1969-),男,江苏启东人,教授,博士生导师.Te:l 010-********,E -m ai:l chen _z hong_hu@i sohu co m Study on pl ate group m echanicalm odel for m ai n roof of l ong wall faceC H EN Zhong hu i 1,X I E H e p i n g 1,2,LI Quan sheng3(1 Institute of R ock M ec hanics and F ractal ,Ch i na Un i versit y o f M i n i ng and Technol ogy (B eijing ),B eiji ng 100083,Ch i na;2 S i chuan Universit y ,Chengdu 610065,Ch i na;3 Ch i na N ationa lC oa lG roup C orporation,B eiji ng 100011,Ch i na )Abst ract :Based on the l o ca,l m igrato r y and subsection characteristics o fm a i n r oof fa ll of long w a ll face ,the m a i n roofw as d i v ided i n to so m e plate group ,and plate g r oup m echan icalm ode lw as estab lished The stress d istr i b ution of plate under so m e bearing cond itionsw as obtai n ed by usi n g elastic plate theory and nu m erical si m u lati o n It inter pre ted the characteristic ofm a i n roo f fall along the l o ng w a ll face ,wh ich is w ell agreeab l e w ith the m ain roof fall o f S ilaogou CoalM i n eK ey w ords :longwa ll face ;m a i n roo ;f plate g r oup m ode l采场围岩的活动是形成矿山压力的根源,而矿山压力的显现就是采场围岩活动的具体表现.因此研究矿山压力的显现必须和研究采场围岩活动规律联系起来,通过监测和假定采场的围岩结构模型和运动规律,寻求矿山压力显现规律.我国学者在长壁工作面综采矿山压力研究方面做出了卓有成效的工作,最杰出的代表是钱鸣高和宋振骐两位院士.他们分别建立了砌体梁理论和运动岩梁理论.这两大矿压理论各有特色,砌体梁理论注重岩梁的结构形式,而运动岩梁理论注重岩梁的运动和破坏过程.运动岩梁理论还强调工作面推进方向上和纵向岩梁之间的结构模型和协调关系.近年来,钱鸣高院士总结多年来研究成果,提出了以岩层控制为中心的 关键层 理论,采场上覆岩层的变形、破坏、离层等一系列矿压显现规律主要是由坚硬岩层中关键层起作用.目前矿山压力理论和围岩结构模型都注重工作面推进方向上显现规律,如周期来压、初次来压、来压强度、动载系数等都是指工作面推进方向上矿压显现指标,并没有考虑工作面长度方向上矿压显现规律.第2期陈忠辉等:长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研究随着综采工作面开采规模的不断提高,势必造成大工作面现象,即工作面长度和推进长度都在增加.显然工作面长度方向上矿压显现规律并不简单划一,从现场工作面支架荷载显现特征实测结果来看:矿压显现存在分期、分段、迁移的特点,也就是工作面来压有时从头部向尾部迁移,有时从尾部向头部迁移,有时从中部向两端迁移.因此用梁的一维围岩结构模型不能解释这类矿压显现现象.笔者将长壁工作面采场顶板划分成若干个相互铰接的薄板,建立了采场围岩广义简支薄板群力学模型,着重揭示沿工作面方向顶板垮落规律,以及顶板来压具有局部、分段和迁移特征.1 薄板组力学模型的建立采场围岩梁和拱的结构模型注重工作面推进方向上矿山压力显现规律,而对工作面端部和中部矿山压图1 采场围岩的薄板模型F i g 1 P l a te m ode l of surround i ng ro ck m ass i n stope力显现的差异无法解释.钱鸣高院士和缪协兴教授等利用薄板模型解释采场围岩破坏规律和矿压显现特征,他们把工作面后方悬的顶板简化成受均布荷载四周固支承的薄板,并把塑性力学理论应用到薄板破坏分析中,如图1所示.通过物理模拟和数值计算,老顶初次来压时,薄板的破坏形式为O -X型.而在周期来压呈现半X 型破坏[1~3].虽然此模型可以解释工作面方向上中部和端部的围岩破坏特征,但对于长工作面常见矿压的迁移特征不能解释.况且工作面的周期来压一般为10~20m,因此,薄板的悬臂长度也只能10~20m .对于长工作面而言,工作面长度能达到200m 左右,这样的长宽比例最高达20!1并不适合真正的薄板模型.其实在长期的地质构造运动中,煤岩等脆性材料内部不同程度存在着微裂纹甚至节理、断层的缺陷.它们具有强烈的尺度效应,即使对于相同岩性的岩石材料,由于其尺度的差异,岩石表现出的力学性能也不一样.尺度较大的岩石包含的缺陷相对较多,显示出较强的非线性和非连续性力学特征.图2 铰接薄板组结构模型F i g 2 L i nked p l ate g roup model对于长壁工作面而言,工作面方向上薄板不可能是一个长条形,而是被许多节理或断层切割成有限个薄板块,薄板之间相互挤压形成铰接连接,由于断层和节理分布的随机性,各薄板的尺寸可能大小不一,形状各异.为了方便计算和统一,这里把采场围岩简化为如图2所示的模型.图2为采场工作面长度方向上围岩的简化结构模型,在工作面长度方向上,围岩被简化为一系列受均布荷载相互铰接的薄板组,工作面两端和煤壁被固定支承.如果工作面顶板还没有初次垮落,薄板四周都为固定支承;如果顶板已经初次垮落,进入周期垮落阶段,薄板的一侧为自由边,如图2所示.在老顶一系列的铰接薄板中,由于其内部存在缺陷的差异,有的薄板强度大一些,而有的薄板强度相应地小一些.随着工作面的不断推进,薄板的悬空面积越来越大,根据弹性力学理论可知:薄板弯曲挠度也越来越大,而薄板内部的应力也随之不断增大,当薄板内部的应力满足岩石破坏准则时,薄板发生破断.显然强度较低的薄板,首先要发生破断.薄板破断后,在工作面推进方向上,弹性地基板就变为砌体结构.破断薄板一侧搭在煤体上,另一侧搭在采空区垮落的矸石上,虽然也是弹性支承,但刚度远小于完整煤体的刚度.而在工作面长度方向上,临近的薄板就变一侧悬空.现在分析薄板A,B ,C 在薄板A 破断前后边界支承情况变化.假设顶板处于初次垮落前整个薄板模型四周固支.在破断前薄板A,B ,C 都是两边简支,两边固定,如图3(a)所示.在薄板A 破断后,薄173煤 炭 学 报2005年第30卷板B 右侧失去了支承,变成了自由边,而薄板C 的左侧变成了自由边,如图3(b)所示.图3 薄板破断前、后边界的支承情况F i g 3 T he suppo rti ng cond iti on of plate boundary before and after p late broke(a)薄板破断前;(b )薄板破断后根据弹性力学薄板弯曲理论,在材料相同、尺寸和所受的外载相等条件下,边界条件决定着薄板的挠度和薄板内部应力.对比图3中薄板B ,C ,薄板A 破断前,临近薄板B ,C 为两边简支,两边固定.而在薄板A 破断后,临近薄板B ,C 为一边简支,两边固支,一边自由.显然根据弹性力学理论,薄板A 破断后临近薄板B ,C 发生的最大挠度和内部最大应力要成倍大于薄板A 破断前临近薄板B ,C 发生的最大挠度和内部最大应力,此时很容易造成薄板B ,C 的破断.依此类推,薄板B ,C 的破断也很容易造成临近薄板的破断,这样薄板的破断就向两侧推进直至工作面的两个端头.随着工作面的推进,将会出现各种不同支承形式的薄板.图4为来压前后薄板几种典型的支承形式.薄板∀,#,∃为顶板初次垮落前后的支承形式,薄板%,&,∋,(为顶板周期来压前后的支承形式.薄板∀为顶板初次来压前工作面中部顶板力学模型,两边固支,两边简支;薄板#为顶板初次来压前工作面端部顶板力学模型,三边固支,一边简支;薄板∃为顶板初次来压后工作面中部顶板模型,两边固支,一边简支,一边自由;薄板%为顶板周期来压前工作面中部顶板力学模型,一边固支,两边简支,一边自由;薄板&为顶板周期来压前工作面端部顶板力学模型,两边固支,一边简支,一边自由;薄板∋为顶板周期来压后工作面端部顶板力学模型,两边固支,两边自由;薄板(为顶板周期来压后工作面中部顶板力学模型,一边固支,一边简支,两边自由.这7种薄板的支承形式基本概括了工作面顶板初次和周期来压前后顶板的力学特征.显然由于支承条件的差异,薄板发生的挠度和内部产生的应力也各不相同,薄板发生的破断情况也不一样.图4 来压前、后出现薄板的几种典型的支承形式F ig 4 So m e typ i ca l supporting types o f plates w hen the p l a te broke2 薄板的力学分析薄板的弯曲理论经典解法是在给定的边界条件及荷载,用数学解析法求解薄板弯曲基本微分方程的方法,就是解析解法.由于满足边界条件和微分方程的求解存在许多数学困难,因此薄板弯曲问题的解析解比较少.绝大部分应用近似解求解,本文假定薄板为弹性薄板,故薄板的基本微分方程为线性微分方程,它们的解可以线性叠加,因此本研究利用叠加法对薄板的挠度和应力进行计算.在叠加法计算过程中,弹性薄板有一个广义简支的定义.对于普通简支边而言,弯距M =0,挠度w =0;广义简支边弯距M =0,而挠度w )0,相当于支承边沉陷具有一定的挠度.正是有了广义简支边的定义,使得叠加法可以求解各种支承条件下薄板弯曲问题[4].174第2期陈忠辉等:长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研究 在薄板的力学分析的同时,笔者也对各种薄板进行了ANSYS 有限元数值计算,两者计算结果误差很小,一般都在5%以内.由于顶板初次垮落步距较大,本文薄板选用∀,#,∃的尺寸都为30m ∗60m,对于周期来压步距相对较短,本文薄板%,&,∋,(选用的尺寸都为25m ∗25m,厚度皆为4 5m,弹性模量为3 8GPa ,泊松比0 2.均布荷载为4 8M Pa ,这与笔者在大同煤矿集团公司四老沟矿现场观测的垂直应力数据是一致的[5].图5为各种支承条件下薄板受均布荷载作用时上表面应力分布的计算结果.初次来压时有薄板∀,#,∃,计算结果表明:薄板∀,#,∃的最大主应力分别为9 59,11 8,35 9MPa ,因此在同样的条件下,薄板∃的最大主应力是薄板#的3倍,是薄板∀的4倍.也就是说,两边固支、一边简支、一边自由的薄板∃比两边固支、两边简支的薄板∀和三边固支、一边简支的薄板#更容易达到薄板的破断条件,更容易垮落.图5 薄板受均布荷载作用上表面的应力分布F i g 5 T he stress distributi on on t he plate s ubjected to un ifor m ed load(a)薄板∀;(b)薄板#;(c)薄板∃;(d)薄板%;(e)薄板&;(f)薄板(在顶板周期来压时,薄板%,&,∋,(的最大主应力分别为6 24,8 23,24 10,27 30MPa .薄板∋和(的最大主应力大致是薄板%和&的3倍.在荷载和尺寸相同的条件下,薄板∋和(比薄板%和&先断裂.也就是自由边多的薄板比自由边少的薄板先破断.对于以上各种薄板,最大主应力的位置都出现在固定边上,相当于煤壁附近.这也是造成煤壁容易片帮的主要原因.综上所述,对于综采长壁工作面而言,当工作面中部最弱的一块顶板破断后,其临近顶板由两边简支支承变为一边简支、一边自由支承,从上面弹性力学薄板理论分析和数值分析可知,其内部的最大主应力和最大挠度将成倍增加.因此它破断垮落的可能性比其它两边简支支承的顶板大很多,依此类推,顶板破断将向工作面两端部逐渐推进.最薄弱的顶板首先破断,然后临近的顶板才发生破断垮落,依此类推,顶板破断将向工作面两个端部逐渐推进.这种工作面顶板的逐渐破断并且迁移的特征在矿压观测中经常出现.175煤 炭 学 报2005年第30卷3 现场验证四老沟煤矿8402综采工作面是大同煤矿集团公司联合中国矿业大学(北京)攻关项目 大同坚硬顶板条件5m 采高综采关键技术研究 的第1个大采高工作面.工作面的矿压观测从2002-10-26初采开始至2003-01-05,历时69d ,工作面推进394m.完成了工作面支架工作阻力、煤壁片帮以及巷道围岩变形的矿压观测.8402工作面长183 3m,走向推进长度为878m,工业储量81 04万.t在工作面内7,15,28,38,50,58,68,78,92,102号液压支架的后柱上安设一台尤洛卡,共10图6 工作面方向初次来压步距变化F ig 6 V ariety o f the first roo f pressure step a l ong the w ork i ng face台,记录工作面推进过程中支架前后柱的压力变化情况.该尤洛卡每隔5m in 自动记录一次液压支架前后柱的压力值,并且储存起来.数值文件可以直接在计算机上分析.工作面的10条测线基本呈均匀分布.与支架载荷测线相对应,以10架安装尤洛卡的支架为观测基准,分别观测支架前方煤壁的片帮与顶板破碎情况.根据工作面支架工作阻力的变化情况和工作面煤壁片帮情况,可以估算出工作面推进过程中顶板的垮落和来压步距.图6为8402工作面方向上不同测线上初次来压步距的变化.图中显示工作面中部最先来压,来压步距为54m 左右,然后向工作面两个端部逐渐扩展,端部工作面顶板初次来压步距为59m .这种顶板垮落的迁移规律从侧面验证了采场围岩铰接薄板力学模型的正确性,即某一薄板的垮落,影响周边薄板的支承条件,从而造成其垮落,形成了采场顶板垮落的多米诺骨牌效应.4 结 论依据弹性力学薄板弯曲理论建立了长壁工作面综采围岩铰接薄板组结构力学模型,突破了沿工作面方向的采场围岩为一块板条的力学模型,而是许多相互铰接的薄板组.根据顶板初次垮落和周期垮落的各自特点,建立了7个不同支承条件的薄板力学模型,利用叠加法和数值方法进行应力计算,获得了各自的应力分布和挠度,较好地解释了沿工作面方向上采场围岩垮落和矿压显现具有分段迁移的特征.本文建立的薄板组力学模型是初步的结果,还有一些定量工作需要继续研究,如薄板的形状、几何尺寸和荷载如何与现场条件相一致.参考文献:[1] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M ].徐州:中国矿业大学出版社,2000.198~250.[2] 钱鸣高,刘听成 矿山压力及其控制[M 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