采动岩体的关键层理论研究新进展_缪协兴

层移动裂隙与边界线的描述 ; 3) 地表沉陷与采场
推进关系的力学描述等等 .
判别某一岩层为关键层 ,必须同时满足其刚度
条件和强度条件 . 假设覆岩中共有 m 层岩层 ,且从
下至上第 1层岩层为关键层 ,则其刚度条件为
q1|n+ 1 < q1|n ( n < m ) ,
( 1)
n- 1
∑ E1h
3 1
合效应的平均影响为
L m = k lm ,
( 6)
式中 k 为修正系数 ,算例中 k= 1. 35.
当既考虑采高影响 ,又考虑复合效应时 ,实际
采场来压步距的修正公式可表示为
L m = k lm - k1 ( b - b0 ) .
( 7)
需要说明的是 ,传统采场来压步距估算主要以
梁理论为基础 ,分析简单直观 . 而关键层理论则要
2 6 中国矿业大学学报 第 29卷
强度条件为
ln+ 1 > l1 ,
( 3)
式中: l 1 , ln+ 1分别为第 1层和第 n+ 1层岩层的断裂 长度 .
在式 ( 1)和式 ( 3)均成立的前提下 ,就可判别出 关键层 1所能控制的岩层数或岩层高度 .当 n= m , 则关键层 1为主关键层 ,控制全部岩层的活动 ; 当 n < m ,则关键层 1为亚关键层 ,仅控制 n 层岩层的活 动.
关键层破断垮落的非连续变形曲线即为砌体
梁结构下沉位移形态曲线 ,文献 [ 9 ]给出了砌体梁 结构下沉位移形态 y ( x )的拟合曲线表达式 ,即
y (x ) = -
W
1-
ex p -
x 2l
,
( 8)
式中: W 为关键层中部的最大下沉位移量 ; l 为关 键层的平均破断块长; x 为采场推进方向的坐标 轴.
Байду номын сангаас( 5)
式中: b 为实际采高 ; b0= 2m; k1为修正系数 ,算例
中 k1= 1. 33.
关键层理论分析的结果表明: 采高越高 ,采场
来压步距越小 . 这与实际情况是一致的 ,特别能用
于分析和解释综采放顶煤技术出现后的一些矿压
显现规律 .
假设采场覆岩中具有 2层关键层 ,其复合效应
将对采场来压产生影响 ,文献 [ 5 ]实际计算得到复
挠曲下沉变形 .此时 ,关键层下部将产生离层 ,离层
的大小取决于采高及软弱岩层的松散系数 .如有亚 关键层 ,则破断后的亚关键层将形成砌体梁结构 ,
并也将在主关键层下部产生离层 .亚关键层与主关
键层都破断成砌体梁结构后 ,在覆岩中将形成不整
合性离层 ,这种离层将发生在开采边界的四周 ,而 并非在中部 .
鉴于此 ,我们可对采动岩体中的关键层作如下
定义: 在采动岩体中 ,对岩体活动全部或局部起控
制作用的岩层称为关键层 . 判别关键层的主要依据
是其变形和破断特征 ,即在关键层破断时 ,其上部
全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致
的 ,前者称为岩层活动的主关键层 ,后者称为亚关
键层 . 也就是说 ,关键层的断裂将导致全部或相当
假设 h1 , h2 , h3组成 3层矩形复合梁 ,矩形截面
宽为 1 m.在 h1= h3的条件下 ,如横截面上的弯矩为
M ,则根据材料力学原理 ,最大弯曲应力 eh1为
eh 1 =
12E1 M ( h1 + E1 [ ( 2h1 + h2 ) 3 -
0. 5h2 )
h32 ] +
E
2h
3 2
.
( 4)
综合分析覆岩结构与开采空间形态对采场来压的
影响 ,不能给出简单直观的表达形式 . 式 ( 5)～ ( 7) 仅是由具体算例比较而得到的计算式 ,主要还是作
定性说明 .
3. 2 关键层理论在岩层移动裂隙分布中的应用
在工作面初次采动后 ,采场覆岩中关键层未破 断前 ,关键层将以弹性地基板或梁的结构形式产生
2) 关键层的复合效应 两层坚硬岩层相距较 近时 ,将产生类似于复合板或复合梁那样的结构效 应 ,它们的承载能力不是简单的线性叠加 ,可远比 线性叠加值大 . 这时 ,如分别单层分析岩层破断和 移动规律 ,将产生重大误差 .因此 ,把两相距较近的 关键层产生的承载能力显著增强现象称之为关键 层的复合效应 .
假设采场覆岩中存在 2层关键层 ,即下部一层 为亚关键层 ,上部一层为主关键层 .上下关键层的
砌体梁结构下沉位移形态拟合曲线之差就为关键
层之间破断垮落后的离层 Δy ,即 Δy = y1 - y2 =
W2
ex p -
x 2l1
-
ex p
-
x 2l2
, ( 9)
式中: y1 , y2 分别为亚关键层和主关键层的下沉位
3) 复合关键层 两相邻关键层不仅会产生复 合效应 ,而且可能同步破断 .因此 ,我们把两同步破 断的关键层称为复合关键层 .
第 1期 缪协兴等: 采动岩体 中的关键层理论研究新进展 27
3 关键层理论的应用
3. 1 关键层理论在采场矿压控制中的应用 关键层理论可对采场矿压控制机理作出更为
岩层控制中的关键层理论是将采场矿压、岩层 移动和地表沉陷 3方面研究有机结合的纽带 ,因此 , 自文献 [ 1 ]建立关键层理论的初步框架以来 ,引起 了学术界和工程应用界的广泛关注 . 文献 [ 2～ 5 ]深 入分析了采动覆岩中关键层上部的载荷分布、关键 层下部的支承压力分布、关键层的破断规律等一系 列与关键层理论有关的基本原理 .文献 [ 6 ]进而详 细分析了采动覆岩中关键层的复合效应 ,这对深入 揭示关键层在采动覆岩中的控制机理起到了积极 的推动作用 . 文献 [ 7, 8 ]将关键层理论研究成果用 于指导离层注浆、合理层位确定、地面瓦斯抽放钻 孔布置设计及地下开采沉陷控制等方面 ,展示了关 键层理论的广阔应用前景 . 本文对上述研究的最新 进展作一综合介绍 .
文章编号: 1000-1964( 2000) 01-0025-05
采动岩体的关键层理论研究新进展
缪协兴 1 , 钱鸣高 2
( 1. 中国矿业大学 岩控中心 , 江苏 徐州 221008; 2.中国矿业大学 采矿工程系 , 江苏 徐州 221008)
摘要: 在分析关键层理论的基本原理的基础上 ,详细介绍了有关关键层复合效应对采场矿压与岩 层移动的影响 ,以及综述了关键层理论在采场矿压控制、岩层移动与地表沉陷控制和煤层瓦斯抽 放等应用研究方面的最新进展 . 关键词: 采动岩体 ; 关键层理论 ; 复合效应 ; 岩层移动 ; 控制 中图分类号: T D 313 文献标识码: A
2 关键层的复合效应
当覆岩中存在 2层以上坚硬岩层时 ,无论上部 或下部坚硬岩层都将对下部或上部坚硬岩层的采 动变形和破断产生影响 ,也即对采动覆岩变形、破 断、移动全过程产生影响 .广义地讲 ,这种影响就为 两坚硬岩层间的复合效应 . 如果两坚硬岩层为关键 层 ,则它们之间的相互影响称之为关键层的复合效 应 . 这里 ,我们所分析的关键层复合效应仅指两相 邻关键层之间产生明显的刚度和强度增加现象 ,并 对相邻关键层岩性和几何特征作如下限定: 1) 两 坚硬岩层的岩性基本相同 ,它们之间的软弱夹层与 之有明显的差别 ; 2) 无论坚硬岩层还是软弱夹层 , 它们的厚度无量级差别 .
例. 假设采场覆岩中仅有 1层关键层 ,且为传统矿
压估算中的老顶 . 传统采场矿压理论在估算来压步 距时不考虑采高的影响 ,而关键层理论分析中要考 虑采高的影响 . 文献 [ 5 ]给出的用关键层理论算得 的采场来压步距 Lm 与传统矿压理论估算的来压 步距 lm 之间的关系为
Lm = lm - k1 (b - b0 ) ,
从图 2中可以看到 ,随 h2增加 ,eh 1将快速下降 . 但是 ,随着软弱夹层 h2的厚度增加 ,其复合梁效应 会 越来越弱 ,即软弱层的“平面保持平面”能力较 弱 .在该算例中 ,可以看到 ,当 h2> 5. 0 m ,即 h2> h1或 h2 > h3后 ,其复合梁效应就明显减弱 .
在式 ( 4)中可以看到 ,上下坚硬层之间的间距 h2是影响复合梁效应的主要因素 ,除此之外 , E2也 是影响因素之一 ,但为次要因素 .
系统和准确的分析 ,因而可对传统矿压估算公式作 全面的修正 . 传统采场矿压理论是以老顶作为采场 来压主体 ,老顶上部覆岩均简 化为载荷作用于老 顶 . 而关键层理论是将在整个覆岩活动中起主要控 制作用的岩层作为采场来压的主体 ,同时考虑关键 层的复合效应 .为了形象地说明这个问题 ,文献 [ 5] 给出了用关键层理论分析采场来压步距的具体算
部分的岩层产生整体运动 .
关键层在采动覆岩中的作用 ,尤其是在浅部 ,
上可影响至地表 ,下可影响至采场和支架 ,因而它
可作为采场矿压、岩层移动及地表沉陷研究统一的
基础 . 关键层理论的研究可以进一步解决: 1) 工作 面周期来压的离散性及各项支架—— 围岩参数确
定的依据 ; 2) 岩层移动的周期性变化规律以及岩
Vi hi + qn
q1|n =
i= 1 n
,
( 2)
∑ Eihi3
i= 1
式中: q1 , qn 分别为第 1层岩层承受的载荷 ; Ei , hi 和
Vi 分别为第 i 层 ( i= 1, 2, … , n )岩层的弹性模量、
高度和容重 .
收稿日期: 1999 04 10 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目 ( 59734090) 作者简介: 缪协兴 ( 1959-) ,男 ,江苏省江阴市人 ,中国矿业大学教授 ,博士生导师 ,工学博士 ,从事力学与采矿相结合的交叉学科研究 .
第 29卷 第 1期 中国矿业大学学报 V o l. 29 No . 1
2000年 1月 Jour nal of China Univ ersity o f M ining & T echnolog y Ja n. 2000
以 h1 = h3 = 5. 0m , E1 = E3 = 30. 0 G Pa, E2 = 10. 0 GPa为例 ,eh 1 /M 与 h2的曲线关系见图 2.由于 弯矩 M 仅取决于梁的约束条件及所受载荷 ,与 h2 无关 ,因而 ,图 2实际上反应了 eh1随 h2的变化规律 .
图 2 eh1 /M 与 h2的关系曲线 Fig. 2 eh1 /M v s h2
在此 ,需对采动岩体中的关键层、关键层的复 合效应及复合关键层作如下说明:
1) 关键层 无论是坚硬岩层还是软弱岩层 , 不管岩层厚薄 ,在采动岩体中均具有加载作用和承 载能力 , 只是为了简 化采动岩体中复杂的分析对 象 ,根据其承载能力的大小 ,把在岩体活动中承载 能力十分突出的坚硬岩层 (或称承载主体 ) ,作为主 要研究对象 ,进行重点分析 .因此 ,我们把在采动岩 体中起控制作用的承载主体称为关键层 .
移 ; l 1 , l2 分别为亚关键层和主关键层的破断块长 ;
W 2为 主关键层中部的最大下沉位移 .
用数值模拟和物理模拟等方法都可证明关键
层理论所描述的离层情况 . 例如 ,用离散元方法计
算得到的在亚关键层破断后 ,主关键层破断前 ,主
关键层的复合效应类似于复合梁或复合板的 复合效应 . 图 1为有 3层材料组 成的矩形截面复合 梁 ,假设截面的上下层为坚硬材料 ,中间层为软弱 材料 ,其复合效应为: 两层坚硬岩层中的软弱层越 薄 ,则其复合后的抗弯截面模量就越小 ;反之 ,软弱 层越厚 ,抗弯截面模量就越大 .
图 1 矩形复合梁 截面 Fig. 1 Sectio n of r estang le combined beam
1 关键层理论的基本原理
在煤系岩层中 ,由于成岩时间和矿物成份等不 同 ,使各岩层厚度和力学性质等方面总存在着不同 程度的差别 . 一些较为坚硬的厚岩层在采动岩体的 变形和破坏中起主要控制作用 ,它们以某种力学结 构 (破断前为连续梁 ,破断后为砌体梁等 )支承上部 岩层 ,而它们的破断又直接影响采场矿压、岩层移 动和地表沉陷 . 在现实中 ,我们发现由于各坚硬岩 层的特征不一 ,因而并不是每一层坚硬岩层在采动 岩体运动中起决定作用 ,有时仅仅为一层或几层 . 因此 ,我们把这种在岩层活动中起主要控制作用的 岩层称为关键层 .