采场老顶初次破断机理与破断形态分析
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Abstract : By field observation and simulating test of shallow seam longwall mining ,t he phe2 nomenon of main roof asymmet ry breaking is discovered during t he first weighting. Based on simulating model test and t heoretical analysis ,t he mechanism of main roof first breaking is revealed ,and t he asymmet ry breaking parameter is determined. Key words : key st rat um of main roof ; first breaking ; asymmet ry ; mechanism
194
西 安 矿 业 学 院 学 报 1999 年
图 1 工作面初次来压地表下沉实测曲线 Fig. 1 Surface subsidence curve during t he first weighting
图 2 老顶初次破断模拟实验素描 Fig. 2 Sketch of t he first breaking of t he main roof in model test
195
梁端的最大拉应力为 σmax
=
qL 2 2h
, 按拉破坏准则
, 岩梁的极限跨距为
L l T = h
2 RT q
(2)
式中 R T 为岩石抗拉强度 。
由于没有考虑损伤效应 ,按此公式计算的结果远大于实际值 。如果考虑实际存在的损
伤效应 ,就可以得到比较满意的解释 。引入损伤因子 Ψ ,式 (2) 可以表示为
本呈现对称破断 。
2) 一般情况下 , 由于岩梁中部下侧的拉应力峰值附近的递减比较慢 , 而损伤积累曲
线在峰值两侧递减比较快 ,最大有效拉应力将位于损伤积累峰值位置附近 ,那么破断岩块
的长度分别为 l01 = 0. 6 N L 0 ; l02 = 0. 4 N L 0
前后岩块长度比
K
=
l 01 l 02
以求出岩梁内任一截面 D - D′的变矩为 M x
=
q 12
(
6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
固支梁上下缘 ( y
=
±
h 2
)
的正应力为
σ
=
12 M y h3
=
± 2
q h2
(6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
(1)
图 3 老顶关键层固支梁模型 Fig. 3 The built 2in beam model of t he key stratum
表 1 工作面围岩力学参数 Tab. 1 Mechanical parameters of surrounding rocks in the face
煤层及顶底板岩层
载荷层 ,风积沙 、风化层 老顶关键层 ,砂岩 直接顶 ,砂质泥岩 煤层 底板 ,砂岩
厚度 /m 32 13 4 6 10
弹模 / MPa
第 19 卷 第 3 期 1999 年 9 月
西安矿业学院学报
J OU RNAL OF XI’AN MIN IN G INSTITU TE
Vol. 19 No. 3 Sept . 1999
采场老顶初次破断机理与破断形态分析Ξ
黄庆享1 ,祈万涛2 ,杨春林3
(1 西安科技学院 采矿系 ,陕西 西安 710054 ; 2 青海大通矿务局多种经营总公司 ,青海 大通 810100 ; 3. 宁夏灵武矿务局灵新矿 ,宁夏 灵武 751409)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3 期 黄庆享等 采场老顶初次破断机理与破断形态分析
197
1) 特殊情况下 , 如果老顶关键层岩梁完整性好 、强度大 , 损伤的影响很小 , 岩梁将基
力成正比关系
Ψn
=
kσN max
=
k
qN
2
L
2 0
2h
(5)
k 为与材料和加载状况相关的参变量 ,为便于分析这里简化地认为是常数 。
损伤积累主要由各个增载循环的损伤叠加组成 ,推进到第 N 步拉裂纹损伤积累的表
6 达式为
ΨN
=
N
Ψn
n =1
=
kN qL 12 h
2 0
(
2
N
2
+
3N
+ 1)
L —岩梁跨距 , q —老顶关键层载荷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3 期 黄庆享等 采场老顶初次破断机理与破断形态分析
按照式 (10) 分别给出开挖 4 ～ 10 步后的损伤积累 ΨdN ,绘入图 4 中 ,如曲线 S 4 ～ S 10
所示
, 单位为
k
qL
2 0
2 h2
,
标尺为次纵坐标
。由式
(9)
可知 ,若按次纵坐标 , F1 ～
F10 曲线又表达
了各开挖循环的拉应力损伤 。
岩梁中部下侧拉应力损伤积累峰值位置和最大拉应力位置如表 2 所示 。可见 ,最大拉
泊松比
内聚力 / MPa
内摩擦角 / (°)
抗拉强度 / MPa
12 000
0. 21
7. 4
38. 8
2. 5
4 500
0. 14
2. 4
41
2. 1
2 200
0. 20
1. 2
38
1. 3
15 000
0. 16
3. 2
38
2. 4
百度文库
2 考虑分步开挖影响的老顶关键层初次破断步距确定
对于长壁开采 ,可以采用平面应力模型建立老顶关键层固支梁力学模型 (图 3) 。可
次开挖循环不断增大的拉应力作用 ,存在分段增载蠕变疲劳损伤 。关于岩石的蠕变损伤的
研究虽然进行了大量的假设 ,其许多参量仍然难以确定 , 不便于工程应用 。至于多循环增
载疲劳损伤尚未见到成熟的研究结果[4 ] 。由于正常推进中每个循环的时间比较短 , 为了
便于分析忽略单循环的蠕变损伤 。根据损伤力学原理 ,第 N 步循环的损伤增量Ψn 与拉应
多数情况下 ,采场老顶初次来压比较强烈 ,因而采场初次来压的顶板控制问题一直受 到理论界与工程界的关注与重视 。但在过去的顶板初次破断研究中没有重视分步开挖工 艺的影响 ,一般将老顶初次破断视为对称破断[1 ] 。神府特大型浅埋煤层矿区的开发过程 中 ,工作面初次来压剧烈 ,顶板破断呈现非对称性 。为了对顶板控制进行定量化分析 ,需 要研究老顶的破断机理和破断形态 ,为准确建立初次来压结构模型奠定基础 。顶板关键 层的破断机理为本文的研究重点 。
1 采场老顶关键层初次破断的非对称性现象
在浅埋煤层神府矿区大柳塔煤矿 1203 长壁工作面有关岩层参数见表 1 ,工作面初次 来压的地表移动观测曲线如图 1 所示 。沿工作面走向的地表塌陷沟表现为非对称性 ,实 质上反映了老顶关键层破断的非对称性 ,相似模拟实验素描图 (图 2) 清楚地表明了这一 特性 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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西 安 矿 业 学 院 学 报 1999 年
算出的拉应力分布
,
应力位于 1 2
N L 0 ,最大损伤点滞后于最大拉应力点的距离为
ΔL
1 = 10 NL 0
(11)
图 4 不同开挖距离时的老顶岩梁中下侧拉应力与损伤积累分布 Fig. 4 The distribution of damage in t he down edge of t he beam
表 2 岩梁中部下侧最大拉应力和最大损伤位置 Tab. 2 The maximum damage and tensile stress position in the middle down edge of the beam
开挖循环 开挖距离 / L 0 拉应力峰值位置 / L 0 损伤积累峰值位置 / L 0 最大损伤点滞后距 / L 0
摘 要 : 依据典型浅埋煤层工作面的实测和模拟 ,发现了采场老顶初次破断的非对称现象 。 运用相似模拟和理论分析相结合的方法 ,揭示了采场顶板初次破断机理 ,确定了有关参数 。 关键词 : 老顶关键层 ; 初次破断 ; 非对称 ; 机理 中图分类号 : TD 31 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 7127 (1999) 03 - 193 - 5
令
G
=
qL
2 0
2h
,
上式可以写为
ΨN
=
N 6
(2 N2
+3N
+ 1) k G
(6)
式 (4) 可表示为 σNmax = GN 2
(7)
将式 (6) 代入式 (3) 可得考虑损伤积累的老顶关键层极限跨距
L
3 iT
=
h
2 R T (1 - ΨN )
q
=h
2 RT q
-
k
N R TL 6h
2 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0. 5
1
1. 5
2
2. 5
3
3. 5
4
4. 5
5
1. 6
2
2. 4 2. 8 3. 2 3. 6
4
0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0
从图 4 可知 , 损伤积累曲线在峰值两侧递减比较快 , 而拉应力峰值两侧的递减比较 慢 ,损伤作用必然对岩梁拉破断位置存在影响 ,主要有两种情况 。
Ξ 收稿日期 : 1999 - 03 - 15 基金项目 : 陕西省自然科学基金 (98D02) 和煤炭高校青年科学基金 (97 - 031) 资助项目 作者简介 : 黄庆享 (1966 - ) 男 ,辽宁盖县人 ,副教授 ,主要从事岩层控制方面的研究工作.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
参考文献 :
[ 1 ] 缪协兴. 采场老顶初次来压时的稳定性分析[J ] . 中国矿业大学学报 ,1989 ,18 (3) :88～92. [ 2 ] 钱鸣高 ,缪协兴 ,许家林. 岩层控制中的关键层理论[J ] . 煤炭学报 ,1996 , (3) :225～230. [ 3 ] 黄庆享. 浅埋煤层长壁开采顶板控制研究[ D ] . 徐州 :中国矿业大学 ,1998. 30～31. [ 4 ] 曾 攀. 材料的概率疲劳损伤特性及现代结构分析原理 [ M ] . 北京 :科学技术文献出版社 ,1993. 13
单位为
qL
2 0
2 h2
。按式 (5)
相同的原理 ,求得各开挖循环在岩梁下侧拉应力
区形成的损伤分布
Ψdn
=
kq 2 h2
(
6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
(9)
L
=
NL 0 ;
x
∈
36
3
NL0 ,3
+ 6
3 NL0
第 N 步开挖后岩梁损伤积累分布为
N
6 ΨdN = Ψdn
(10)
n =1
(
2
N
2
+3N
+ 1)
(8)
这里 N 表示达到极限跨距时的开挖 (推进) 循环数 。
3 老顶关键层破断岩块的不对称性及其尺寸确定
实验和实测发现的老顶岩梁非对称破断是由岩梁中部下侧拉应力损伤积累所引起 的 。随着开挖的进行 ,岩梁下侧的表现拉应力 (下文简称拉应力) 区也随之前移 , 其大小随 开挖距离的增大而增大 ,如图 4 中 F 曲线所示 。图中给出了 10 个开挖循环的拉应力曲线 , 横坐标的 1 ,2 ,3 …表示第 1 ,2 ,3 …次开挖的岩梁长度 ,单位为 L 0 ; 主纵坐标为按式 (1) 计
L
3 lT
=
h
2 R T (1 - Ψ)
q
(3)
根据前面分析 ,岩梁靠开切侧梁端上侧损伤积累最大 , 拉破坏将首先从该处引发 , 下
面探讨该处的损伤积累 。设每一步开挖循环推进距离为 L 0 ,开挖至第 N 步的梁端最大拉
应力
σN max
=
qN
2
L
2 0
2h
(4)
由于拉裂纹的扩展与拉应力成正比 ,在不断推进的开挖过程中 ,靠开切侧梁端受到多
～60.
ANALYSIS OF MECHANISM AND FORM OF MAIN ROOF BREA KING D URING FIRST WEIGHTING IN LONGWALL FACE
HU A N G Qi ng2x iang
(Dept . of Mining Engineering ,Xi’an University of Science & Technology ,Xi’an 710054 ,China)
= 1. 5
(12)
4 结 论
1) 长壁开采老顶初次破断的破坏形式为拉破坏 ,起始拉破坏位于开切侧的关键层上 部。
2) 老顶初次来压时关键层破断一般表现为非对称破断 , 推进侧岩块长 , 开切侧岩块 短 ,两岩块的长度比约为 1. 5 。
3) 老顶初次破断的非对称性表明 , 老顶结构为非对称三铰拱结构 。正确建立初次来 压顶板结构模型 ,对于提高顶板控制分析的准确性具有重要意义 。
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西 安 矿 业 学 院 学 报 1999 年
图 1 工作面初次来压地表下沉实测曲线 Fig. 1 Surface subsidence curve during t he first weighting
图 2 老顶初次破断模拟实验素描 Fig. 2 Sketch of t he first breaking of t he main roof in model test
195
梁端的最大拉应力为 σmax
=
qL 2 2h
, 按拉破坏准则
, 岩梁的极限跨距为
L l T = h
2 RT q
(2)
式中 R T 为岩石抗拉强度 。
由于没有考虑损伤效应 ,按此公式计算的结果远大于实际值 。如果考虑实际存在的损
伤效应 ,就可以得到比较满意的解释 。引入损伤因子 Ψ ,式 (2) 可以表示为
本呈现对称破断 。
2) 一般情况下 , 由于岩梁中部下侧的拉应力峰值附近的递减比较慢 , 而损伤积累曲
线在峰值两侧递减比较快 ,最大有效拉应力将位于损伤积累峰值位置附近 ,那么破断岩块
的长度分别为 l01 = 0. 6 N L 0 ; l02 = 0. 4 N L 0
前后岩块长度比
K
=
l 01 l 02
以求出岩梁内任一截面 D - D′的变矩为 M x
=
q 12
(
6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
固支梁上下缘 ( y
=
±
h 2
)
的正应力为
σ
=
12 M y h3
=
± 2
q h2
(6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
(1)
图 3 老顶关键层固支梁模型 Fig. 3 The built 2in beam model of t he key stratum
表 1 工作面围岩力学参数 Tab. 1 Mechanical parameters of surrounding rocks in the face
煤层及顶底板岩层
载荷层 ,风积沙 、风化层 老顶关键层 ,砂岩 直接顶 ,砂质泥岩 煤层 底板 ,砂岩
厚度 /m 32 13 4 6 10
弹模 / MPa
第 19 卷 第 3 期 1999 年 9 月
西安矿业学院学报
J OU RNAL OF XI’AN MIN IN G INSTITU TE
Vol. 19 No. 3 Sept . 1999
采场老顶初次破断机理与破断形态分析Ξ
黄庆享1 ,祈万涛2 ,杨春林3
(1 西安科技学院 采矿系 ,陕西 西安 710054 ; 2 青海大通矿务局多种经营总公司 ,青海 大通 810100 ; 3. 宁夏灵武矿务局灵新矿 ,宁夏 灵武 751409)
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第 3 期 黄庆享等 采场老顶初次破断机理与破断形态分析
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1) 特殊情况下 , 如果老顶关键层岩梁完整性好 、强度大 , 损伤的影响很小 , 岩梁将基
力成正比关系
Ψn
=
kσN max
=
k
qN
2
L
2 0
2h
(5)
k 为与材料和加载状况相关的参变量 ,为便于分析这里简化地认为是常数 。
损伤积累主要由各个增载循环的损伤叠加组成 ,推进到第 N 步拉裂纹损伤积累的表
6 达式为
ΨN
=
N
Ψn
n =1
=
kN qL 12 h
2 0
(
2
N
2
+
3N
+ 1)
L —岩梁跨距 , q —老顶关键层载荷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3 期 黄庆享等 采场老顶初次破断机理与破断形态分析
按照式 (10) 分别给出开挖 4 ～ 10 步后的损伤积累 ΨdN ,绘入图 4 中 ,如曲线 S 4 ～ S 10
所示
, 单位为
k
qL
2 0
2 h2
,
标尺为次纵坐标
。由式
(9)
可知 ,若按次纵坐标 , F1 ～
F10 曲线又表达
了各开挖循环的拉应力损伤 。
岩梁中部下侧拉应力损伤积累峰值位置和最大拉应力位置如表 2 所示 。可见 ,最大拉
泊松比
内聚力 / MPa
内摩擦角 / (°)
抗拉强度 / MPa
12 000
0. 21
7. 4
38. 8
2. 5
4 500
0. 14
2. 4
41
2. 1
2 200
0. 20
1. 2
38
1. 3
15 000
0. 16
3. 2
38
2. 4
百度文库
2 考虑分步开挖影响的老顶关键层初次破断步距确定
对于长壁开采 ,可以采用平面应力模型建立老顶关键层固支梁力学模型 (图 3) 。可
次开挖循环不断增大的拉应力作用 ,存在分段增载蠕变疲劳损伤 。关于岩石的蠕变损伤的
研究虽然进行了大量的假设 ,其许多参量仍然难以确定 , 不便于工程应用 。至于多循环增
载疲劳损伤尚未见到成熟的研究结果[4 ] 。由于正常推进中每个循环的时间比较短 , 为了
便于分析忽略单循环的蠕变损伤 。根据损伤力学原理 ,第 N 步循环的损伤增量Ψn 与拉应
多数情况下 ,采场老顶初次来压比较强烈 ,因而采场初次来压的顶板控制问题一直受 到理论界与工程界的关注与重视 。但在过去的顶板初次破断研究中没有重视分步开挖工 艺的影响 ,一般将老顶初次破断视为对称破断[1 ] 。神府特大型浅埋煤层矿区的开发过程 中 ,工作面初次来压剧烈 ,顶板破断呈现非对称性 。为了对顶板控制进行定量化分析 ,需 要研究老顶的破断机理和破断形态 ,为准确建立初次来压结构模型奠定基础 。顶板关键 层的破断机理为本文的研究重点 。
1 采场老顶关键层初次破断的非对称性现象
在浅埋煤层神府矿区大柳塔煤矿 1203 长壁工作面有关岩层参数见表 1 ,工作面初次 来压的地表移动观测曲线如图 1 所示 。沿工作面走向的地表塌陷沟表现为非对称性 ,实 质上反映了老顶关键层破断的非对称性 ,相似模拟实验素描图 (图 2) 清楚地表明了这一 特性 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
196
西 安 矿 业 学 院 学 报 1999 年
算出的拉应力分布
,
应力位于 1 2
N L 0 ,最大损伤点滞后于最大拉应力点的距离为
ΔL
1 = 10 NL 0
(11)
图 4 不同开挖距离时的老顶岩梁中下侧拉应力与损伤积累分布 Fig. 4 The distribution of damage in t he down edge of t he beam
表 2 岩梁中部下侧最大拉应力和最大损伤位置 Tab. 2 The maximum damage and tensile stress position in the middle down edge of the beam
开挖循环 开挖距离 / L 0 拉应力峰值位置 / L 0 损伤积累峰值位置 / L 0 最大损伤点滞后距 / L 0
摘 要 : 依据典型浅埋煤层工作面的实测和模拟 ,发现了采场老顶初次破断的非对称现象 。 运用相似模拟和理论分析相结合的方法 ,揭示了采场顶板初次破断机理 ,确定了有关参数 。 关键词 : 老顶关键层 ; 初次破断 ; 非对称 ; 机理 中图分类号 : TD 31 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 7127 (1999) 03 - 193 - 5
令
G
=
qL
2 0
2h
,
上式可以写为
ΨN
=
N 6
(2 N2
+3N
+ 1) k G
(6)
式 (4) 可表示为 σNmax = GN 2
(7)
将式 (6) 代入式 (3) 可得考虑损伤积累的老顶关键层极限跨距
L
3 iT
=
h
2 R T (1 - ΨN )
q
=h
2 RT q
-
k
N R TL 6h
2 0
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2
2. 5
3
3. 5
4
4. 5
5
1. 6
2
2. 4 2. 8 3. 2 3. 6
4
0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1. 0
从图 4 可知 , 损伤积累曲线在峰值两侧递减比较快 , 而拉应力峰值两侧的递减比较 慢 ,损伤作用必然对岩梁拉破断位置存在影响 ,主要有两种情况 。
Ξ 收稿日期 : 1999 - 03 - 15 基金项目 : 陕西省自然科学基金 (98D02) 和煤炭高校青年科学基金 (97 - 031) 资助项目 作者简介 : 黄庆享 (1966 - ) 男 ,辽宁盖县人 ,副教授 ,主要从事岩层控制方面的研究工作.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
参考文献 :
[ 1 ] 缪协兴. 采场老顶初次来压时的稳定性分析[J ] . 中国矿业大学学报 ,1989 ,18 (3) :88～92. [ 2 ] 钱鸣高 ,缪协兴 ,许家林. 岩层控制中的关键层理论[J ] . 煤炭学报 ,1996 , (3) :225～230. [ 3 ] 黄庆享. 浅埋煤层长壁开采顶板控制研究[ D ] . 徐州 :中国矿业大学 ,1998. 30～31. [ 4 ] 曾 攀. 材料的概率疲劳损伤特性及现代结构分析原理 [ M ] . 北京 :科学技术文献出版社 ,1993. 13
单位为
qL
2 0
2 h2
。按式 (5)
相同的原理 ,求得各开挖循环在岩梁下侧拉应力
区形成的损伤分布
Ψdn
=
kq 2 h2
(
6
L
x
-
6 x2 -
L 2)
(9)
L
=
NL 0 ;
x
∈
36
3
NL0 ,3
+ 6
3 NL0
第 N 步开挖后岩梁损伤积累分布为
N
6 ΨdN = Ψdn
(10)
n =1
(
2
N
2
+3N
+ 1)
(8)
这里 N 表示达到极限跨距时的开挖 (推进) 循环数 。
3 老顶关键层破断岩块的不对称性及其尺寸确定
实验和实测发现的老顶岩梁非对称破断是由岩梁中部下侧拉应力损伤积累所引起 的 。随着开挖的进行 ,岩梁下侧的表现拉应力 (下文简称拉应力) 区也随之前移 , 其大小随 开挖距离的增大而增大 ,如图 4 中 F 曲线所示 。图中给出了 10 个开挖循环的拉应力曲线 , 横坐标的 1 ,2 ,3 …表示第 1 ,2 ,3 …次开挖的岩梁长度 ,单位为 L 0 ; 主纵坐标为按式 (1) 计
L
3 lT
=
h
2 R T (1 - Ψ)
q
(3)
根据前面分析 ,岩梁靠开切侧梁端上侧损伤积累最大 , 拉破坏将首先从该处引发 , 下
面探讨该处的损伤积累 。设每一步开挖循环推进距离为 L 0 ,开挖至第 N 步的梁端最大拉
应力
σN max
=
qN
2
L
2 0
2h
(4)
由于拉裂纹的扩展与拉应力成正比 ,在不断推进的开挖过程中 ,靠开切侧梁端受到多
～60.
ANALYSIS OF MECHANISM AND FORM OF MAIN ROOF BREA KING D URING FIRST WEIGHTING IN LONGWALL FACE
HU A N G Qi ng2x iang
(Dept . of Mining Engineering ,Xi’an University of Science & Technology ,Xi’an 710054 ,China)
= 1. 5
(12)
4 结 论
1) 长壁开采老顶初次破断的破坏形式为拉破坏 ,起始拉破坏位于开切侧的关键层上 部。
2) 老顶初次来压时关键层破断一般表现为非对称破断 , 推进侧岩块长 , 开切侧岩块 短 ,两岩块的长度比约为 1. 5 。
3) 老顶初次破断的非对称性表明 , 老顶结构为非对称三铰拱结构 。正确建立初次来 压顶板结构模型 ,对于提高顶板控制分析的准确性具有重要意义 。