采场老顶初次来压的结构分析

第17卷　第5期岩石力学与工程学报17(5):521～526 1998年10月Chinese J ournal o f Rock Mechanics and Engineering Oct.,1998

采场老顶初次来压的结构分析

黄庆享

(西安矿业学院采矿系　西安　710054)

摘要　分析了初次来压期间老顶岩块结构触矸前后的稳定性,指出初次来压期间顶板控制应

主要防止老顶岩块在未触矸时出现滑落失稳,提出了初次来压老顶岩块结构的“S-R”稳定条

件。

关键词　初次来压,岩块结构,稳定性,控制

分类号　T D326

1　前言

多数情况下,工作面来压最猛烈、最难控制的是初次来压。长期以来,许多学者对初次来压步距的计算及预测方法进行了研究[1～3]。来压步距只是重要参数之一,而老顶岩块结构的稳定性将直接影响到初次来压显现的强度。关于老顶破断岩块的结构分析主要集中于解决周期来压问题,对于初次来压仅有少量研究[4]。本文借鉴钱鸣高院士关于采场“砌体梁”结构“S-R”理论[5～7]的分析方法,对初次来压期间顶板结构的稳定性及其控制途径进行探讨。

工作面初次来压期间,老顶破断显现主要有断裂下沉和顶板台阶下沉两种形式[8],其中顶板台阶下沉对工作面安全威胁最大,本文主要针对这种情况进行力学分析。老顶破断后岩块咬合、回转直至触矸会对采场形成不同的影响,下面以岩块未触矸及触矸后这两种情况展开分析。

2　老顶岩块未触矸时的分析

2.1　两岩块的受力分析

由大量的模拟实验及现场观测发现,多数情况下老顶初次破断形成的岩块长度具有不等性。靠工作面煤壁的岩块长度l1一般要大于另一侧l2,力学模型如图1所示。两岩块所形成的是非对称三铰拱式结构,实际工程中三铰拱接近共线,铰接处为塑性铰,故该结构为近瞬变几何非线性动态平衡结构。

1997年1月31日收到初稿,1997年4月2日收到修改稿,1997年7月28日收到改定稿。

作者黄庆享简介:男,31岁,博士,1987年毕业于西安矿业学院采矿系采矿工程专业,现任采矿系副主任,主要从事矿山压力及其控制方面的研究与教学工作。

P 1,P 2——块体承受的载荷; H 1——I 块体的转角; A ——接触面高度; Q A ,Q B ——A ,B 接触铰上的摩擦剪力; l 1,l 2——Ⅰ,Ⅱ岩块长度

图1　两岩块结构的受力

F ig.1　Lo ading o n t wo -blo ck st ructure

由文[5]可知

a =12(h -l 1sin H

1)(1)

式中:h 为岩块厚度。鉴于岩块之间为塑性铰接触关系,图1中水平力T 作用点的位置可取

a /2处。分别对A ,C 点取弯矩∑M A =0,∑M

c

=0,对两岩块结构垂直方向外力取∑Y

=0,并将式(1)代入得

T =

P 2l 1(l 1+l 2)+l 1l 2(P 1-P 2)

(l 1+l 2)(h -l 1sin H 1)

(2)Q A =

P 1+P 22+l 2(P 1-P 2)

2(l 1+l 2)

(3)令l 1l 2=P 1P 2=K ,i =h

l 1;设P =P 1+P 2,则式(2),(3)可简化为

T =

2K P

(1+K )2(i -sin H 1)

(4)Q A =

(K 2+3K )P 2(1+K )(5)

由于K 值一般在1.0～1.4之间,由表1及表2可以看出,T 与Q A 可以进一步简化为

T ≈P

2(i -sin H 1)(6)Q A ≈P

2≈Q B

(7)

由此说明,初次来压期间岩块未触矸时计算Q A 及T 可按岩块等长进行简化。

表1　Q A 随K 值的变化Table 1　The variation of Q A with K

K 1.0 1.1 1.2 1.3 1.42Q A /P

1.00

1.02

1.04

1.06

1.07

表2　T 随K 值的变化Table 2　The variat ion of T with K

K 1.0 1.1 1.2 1.3 1.42T (i -s in H 1)

1.00

1.00

0.99

0.98

0.97

・

522・岩石力学与工程学报1998年

T 与i 及H 1的关系见图2。由图可知,当i ≥0.4时,随H 1角的变化,T 值变化很小。当i <0.3时,随i 值越小,T 随H 1角的增长越快。与周期来压时的情况不同,Q A 与H 1关系不大,它基本上为定值P /2。2.2　老顶岩块结构的稳定性分析

老顶初次破断形成的两岩块结构在未触矸时为一动态极限平衡状态。在这一动态平衡过程中,A 点处是否产生滑落失稳,直接影响到工作面是否会出现顶板沿煤壁切落和台阶下沉等强烈来压显现。岩块失稳是必然的,但可以通过分析,寻求岩块回转过程中不先从A 点滑落失稳的控制参数。2.2.1　滑落失稳分析

防止结构在A 点发生失稳,必须满足条件

T tan U ≥Q A

(8)式中:tan U 为岩块间的摩擦系数,一般取0.3。将式(6),(7)代入式(8)得

i ≤tan U +sin H 1

(9)

由此可知,此结构不发生滑落失稳的条件与块度i 及回转角H 1有关(图3)

。

图2　水平推力T 与H 1的关系 F ig.2　Ho rizo ntal thrust T vs H

1

图3　滑落失稳与H 1及i 的关系 Fig.3　Sliding inst ability v s H 1and i

老顶断裂线出现于煤壁上方的初期,H 1值取决于煤壁及直接顶的刚度。若刚度越大,H 1

接近于零,则要求块度i 小于0.3;若刚度较小,H 1一般也只有3°左右,i 则应小于0.35。由于岩块结构的瞬变性,岩块将产生回转,H 1值可能增至10°～15°,此时的i 值应当在0.45～0.55以内。由以上分析可知,初次来压期间岩块回转初期容易产生滑落失稳。

若按l 1=l 2计,将i =h /l 1代入式(9),l 1取初次来压步距的一半,即

l 1=h

R c

20Q g (h +h 1)

则有

h +h 1≤

R c 20Q g

(tan U +sin H 1)2

(10)

式中:h 1为载荷层厚度,R c 为承载层抗压强度,Q g 为岩体容重。

将h +h 1与H 1的关系绘入图4中,取两种承载层抗压强度,即R c =60M Pa (实线),及

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523・第17卷　第5期黄庆享.采场老顶初次来压的结构分析