堅(jiān)硬厚頂板穩(wěn)定性分析

堅(jiān)硬厚頂板穩(wěn)定性分析

在文獻(xiàn)中，長梁結(jié)構(gòu)的初始和周期破裂步長的理論公式公式為寬梯度和寬度大于4。然而，對(duì)于具有相同長度和寬度的深梁結(jié)構(gòu)，理論回答存在一些誤差。鑒于巖石抗拉、抗剪強(qiáng)度相比其抗壓強(qiáng)度一般較小,而頂板巖層結(jié)構(gòu)破斷特征主要表現(xiàn)為拉斷或剪斷2種情形,為弄清堅(jiān)硬厚頂板的運(yùn)動(dòng)破斷特征,保證工作面正常生產(chǎn),以石屹臺(tái)煤礦房柱采空區(qū)下采煤生產(chǎn)實(shí)際為背景,對(duì)不同支撐邊界條件下的堅(jiān)硬厚頂板破斷特征進(jìn)行分析探討,為工作面頂板初次、周期來壓預(yù)報(bào)、預(yù)測及工作面高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)與安全保障。1煤房開采含煤煤層特征烏蘭煤炭有限公司石圪臺(tái)煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗布爾臺(tái)鄉(xiāng)境內(nèi),東西長約2.2km,南北寬約1~1.5km,面積為2.78km2。礦區(qū)內(nèi)含煤7~19層,中上部煤層發(fā)育較好,厚度較大;下部煤層連續(xù)性差,煤層較薄。煤層總厚度13.32~19.18m,平均16.88m,其中可采煤層8層,可采總厚度13.07~18.21m,平均15.28m,含煤系數(shù)8.02%~10.98%,平均10.23%,可采含煤系數(shù)為7.89%~11.65%,平均為9.26%。石屹臺(tái)煤礦主采煤層為3-1-1,3-1-2,特征為:3-1-1煤層:全區(qū)可采,煤層賦存穩(wěn)定,厚度變化不大,厚度范圍1.97~3.05m,平均2.72m,與3-1-2煤層間距0.20~13.41m,平均12.78m,結(jié)構(gòu)簡單,不含夾矸,煤層頂板巖性多為泥巖和砂質(zhì)泥巖,底板巖性以砂質(zhì)泥巖為主,局部為砂巖。煤層采用房柱式開采方法,煤房及留設(shè)煤柱尺寸均為6m,后期尺寸改變后煤房尺寸6m,煤柱尺寸2.5m。3-1-2煤層:全區(qū)可采,煤層厚度穩(wěn)定、連續(xù)性較好。煤層厚度2.22~3.48m,平均2.95m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,不含夾矸,頂板巖性以砂質(zhì)泥巖為主,局部為砂巖。該煤層在上煤層房柱采空區(qū)下采用綜合機(jī)械化壁式開采方法。其物理力學(xué)參數(shù)見表1。初次來壓前,將3-1-2煤層頂板重量連同上煤層留設(shè)煤柱自重等效均載之和作為判定第1關(guān)鍵層的外部載荷?？紤]到房柱尺寸相等時(shí),煤柱等效均勻載荷為煤柱重量的1/4,此時(shí)對(duì)煤層承載關(guān)鍵層判定如下。下煤層頂板連同煤柱載荷為:考慮上煤層頂板連同煤柱載荷對(duì)下煤層頂板作用:由此判定3-1-1煤層頂板即為承載關(guān)鍵層。在下煤層頂板初次斷裂后,隨著工作面的推進(jìn),頂板巖層發(fā)生周期性垮斷,采空區(qū)范圍內(nèi)上煤層煤柱逐漸失穩(wěn),上煤層頂板遂失去煤柱支撐作用。當(dāng)下煤層推進(jìn)一定距離后,上煤層堅(jiān)硬較厚頂板開始初次垮斷。2深梁結(jié)構(gòu)破斷過程中頂板受力特征模型考慮到頂板巖層堅(jiān)硬較厚條件下,頂板受力特征區(qū)別于一般長梁結(jié)構(gòu),且頂板初次斷裂位置承受相鄰巖塊的擠壓作用,遂建立一般深梁結(jié)構(gòu)破斷過程中頂板受力特征模型,如圖1所示。2.1在固結(jié)條件下，上部屋頂?shù)奶攸c(diǎn)是首次破碎2.1.1屋頂?shù)膽?yīng)力分布根據(jù)固支邊界條件求解梁內(nèi)應(yīng)力分量的表達(dá)式為:式中q為頂板承受的上覆巖層載荷,石屹臺(tái)煤礦3-1-1煤層頂板承受載荷值為1.32MPa。2.1.2固支條件下頂板安全跨距l(xiāng)s考慮到一般長梁結(jié)構(gòu)的斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)處于梁長度尺寸的中間靠下邊界位置,對(duì)比長梁與深梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及誤差分析范圍,可以根據(jù)一般長梁最易破斷位置應(yīng)力特點(diǎn),對(duì)深梁結(jié)構(gòu)斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)及極限跨度尺寸進(jìn)行初步判斷,然后對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行修正分析,最終得到深梁結(jié)構(gòu)初次破斷特征。由對(duì)稱性可知,梁的中間下邊界位置剪應(yīng)力為零,梁截面(0,h/2)處的水平拉應(yīng)力分量即為該位置的最大主應(yīng)力б1,由此得到深梁結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處的拉應(yīng)力為:式中:l為煤層頂板跨度的1/2;h為頂板巖層厚度,這里h=14.5m。根據(jù)材料的最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論可知,頂板不發(fā)生斷裂的安全跨度滿足下式:式中[бt]頂板巖層的抗拉強(qiáng)度極限。由此得到煤層頂板的跨度尺寸L1需滿足:式中L1為初步判斷得到的頂板最大跨度尺寸?？紤]巖層的非均質(zhì)及脆性斷裂等特性,這里取巖層趨于斷裂時(shí)的安全系數(shù)n,于是得到固支條件下頂板的安全跨距為:式中L1s為初步判斷得到頂板最大安全跨度尺寸。鑒于石屹臺(tái)煤礦頂板堅(jiān)硬且厚度較大,巖層結(jié)構(gòu)相對(duì)完整,這里安全系數(shù)n=3,此時(shí)初步判斷頂板安全極限跨距為:當(dāng)頂板巖層初次垮斷步距取為23.0m時(shí),頂板巖層深梁結(jié)構(gòu)內(nèi)最大主應(yīng)力分布如圖2a所示。由圖可見,在頂板跨度23.0m條件下,頂梁中間下邊界位置拉應(yīng)力最大,其值達(dá)到3.5MPa左右,考慮到頂板巖層抗拉強(qiáng)度極限只有3.27MPa,故梁的安全極限跨度選取稍偏大,修正頂梁跨度尺寸為22.0m時(shí),得到該條件下的頂板最大主應(yīng)力分布如圖2b。在頂板跨度尺寸為22.0m條件下,頂板中間下邊界應(yīng)力將達(dá)到巖層抗拉強(qiáng)度極限。由此可知,在頂板固支條件下,據(jù)最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則最終得到頂板深梁結(jié)構(gòu)的安全跨距Ls滿足Ls≤22.0m。同時(shí)由圖2b的頂板最大主應(yīng)力分布特征可以看出,在最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則判據(jù)條件下,堅(jiān)硬厚頂板的破斷危險(xiǎn)點(diǎn)位于深梁結(jié)構(gòu)的中間下邊界位置。2.1.3固支條件下頂板極限安全跨距考慮到長梁最大剪應(yīng)力可能位置一般位于梁中間下邊界或固定端截面中心處,由此得到深梁相應(yīng)位置的剪應(yīng)力為:式中:|τmax|為深梁相應(yīng)位置處的最大剪應(yīng)力,考慮到剪應(yīng)力符號(hào)的正負(fù),這里取其絕對(duì)值。根據(jù)材料的最大剪應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則,可知深梁不發(fā)生斷裂的極限跨度尺寸需滿足條件:由于巖石抗剪強(qiáng)度一般約為抗拉強(qiáng)度的1/12(25)1/8,因此初步判斷深梁固支條件下的極限安全跨距可能取值為:式中:L1s,L2s分別為根據(jù)深梁危險(xiǎn)破斷位置應(yīng)力特征,初步判斷得到的頂板極限安全跨度尺寸。采用類似的方法,對(duì)最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論條件下初步判斷得到的安全跨距進(jìn)行修正,通過數(shù)值計(jì)算分析,得到頂板最大剪應(yīng)力分布形式如圖3所示。由圖3可看出,固支條件下頂板跨度達(dá)到32.0m時(shí),最大剪應(yīng)力主要集中于頂板中下部區(qū)域A,在頂板中間下邊界位置處剪應(yīng)力值達(dá)到最大,約3.3MPa左右,其值較為接近頂板巖層的抗剪強(qiáng)度極限,故頂板固支條件下的剪切破斷極限安全跨距Ls滿足關(guān)系Ls≤32.0m。區(qū)別于固支條件下的拉斷情形,頂板剪切破斷時(shí)巖層中上部區(qū)域B有剪應(yīng)力集中,且在頂板中間上邊界位置處達(dá)到最大,約2.6MPa,故頂板固支剪斷條件下,巖層中間上邊界點(diǎn)亦為巖層破斷的危險(xiǎn)位置。由于頂板結(jié)構(gòu)及承載的對(duì)稱性可知,巖層中間下(上)邊界點(diǎn)只有水平拉(壓)應(yīng)力的作用,為該位置的最大主應(yīng)力,因此可以判斷該位置處斷裂面與水平方向大致成45°。2.2頂板層壓計(jì)算類似于固支條件下深梁破斷特征的討論,簡支條件下深梁應(yīng)力分量表達(dá)式為:簡支拉斷條件下頂板極限安全跨距初步判斷修正頂板極限安全跨距為13.0m時(shí),計(jì)算得到頂板巖層最大主應(yīng)力分布如圖4a所示。由圖4a可看出,頂板簡支拉斷條件下,頂板破斷的危險(xiǎn)位置仍處于深梁結(jié)構(gòu)的中間下邊界位置。同樣分析得到簡支剪斷情形下,堅(jiān)硬厚頂板的極限安全跨距初步判斷為:修正頂板極限安全跨距為20.0m時(shí),計(jì)算得到頂板巖層最大剪應(yīng)力分布如圖4b所示。與固支剪斷情形相似,簡支剪斷條件下頂板最大剪應(yīng)力主要分布在深梁中間靠近下邊界的區(qū)域A和B,最易破斷位置位于頂板中間下邊界點(diǎn)處。3阿盤結(jié)構(gòu)特征的垮斷特征3.1梁塊壓力—頂板承載及應(yīng)力分布頂板巖層初次垮斷后,隨著下部煤層工作面的推進(jìn),上煤層頂板周期性垮落。由于頂板巖層巖性較硬、厚度較大,頂板懸露尺寸一般較大;頂板一端連續(xù),另一端承受相鄰塊體的擠壓及支撐作用,形成區(qū)別于一般懸梁的“半砌體結(jié)構(gòu)”型懸梁。為分析堅(jiān)硬較厚頂板的最大懸露長度尺寸,依據(jù)圣維南原理,這里將半砌體結(jié)構(gòu)型懸梁極限垮斷位置處的應(yīng)力效果代以集中力作用,如圖5所示。塊體左端為懸露頂板極限垮斷位置處,承受與應(yīng)力分布效果等效的水平及豎直方向合力Td,TF;右端承受相鄰塊體或垮落矸石的擠壓、支撐及摩擦作用,水平及豎直方向合力T,Tf。考慮到巖石擠壓塑性變形,水平力作用點(diǎn)位于巖石擠壓塑性變形尺寸a的中間位置,其值為:式中:l為塊體斷裂極限長度尺寸;α為塊體回轉(zhuǎn)變形角度。水平及豎直方向的平衡條件為:A點(diǎn)位置處的力矩平衡條件為:式中:w為塊體右端咬合點(diǎn)位置處位移下沉量,其值為w(28)lsinα。由此解得塊體右端水平擠壓力:式中:qd為等效載荷,其值為(7)(ql2-2Tfl)/l2。令塊體間的擠壓應(yīng)力бp為:巖塊間擠壓強(qiáng)度бp與巖石抗壓強(qiáng)度[бc]的比值為K,抗壓強(qiáng)度[бc]與抗拉強(qiáng)度[бt]比值為i,從而得到:式中:K是與梁支撐條件相關(guān)的系數(shù)。綜上分析,得到塊體兩端合力表達(dá)式分別為:依據(jù)圣維南原理,結(jié)合塊體兩端合力邊界條件及巖梁應(yīng)力表達(dá)式(1),得到極限懸露頂板內(nèi)的應(yīng)力3.2頂板地層最大應(yīng)力據(jù)長梁結(jié)構(gòu)一般結(jié)論,懸臂深梁不沿易斷裂位置(0,-h/2)拉斷的條件為:由此得到頂板懸梁結(jié)構(gòu)支撐系數(shù)需滿足的關(guān)系K≥0.76,故初步判斷結(jié)構(gòu)型懸梁安全跨距尺寸l1s需滿足關(guān)系:結(jié)構(gòu)型懸梁安全跨距修正取值為6.0m時(shí),計(jì)算得到頂板巖層最大主應(yīng)力分布如圖6a所示。由圖6a可看以出,頂板懸臂拉斷條件下,梁內(nèi)最大主應(yīng)力集中于頂板左端靠近上邊界區(qū)域,而頂板破斷危險(xiǎn)點(diǎn)位于深梁結(jié)構(gòu)垮斷極限位置的上邊界。3.3頂板層徑面最大剪應(yīng)力類似分析得到懸梁不沿易破斷位置(7)0,0(8)剪斷的條件為:由此初步判斷結(jié)構(gòu)型懸梁極限安全跨距尺寸l1s需滿足:結(jié)構(gòu)型懸梁剪斷條件下,安全跨距尺寸修正取值9.8m時(shí),計(jì)算分析得到頂板巖層最大剪應(yīng)力分布如圖6b所示。由圖可知,頂板懸臂拉斷條件下,梁內(nèi)最大剪應(yīng)力集中于頂板左端靠近下邊界區(qū)域,頂板破斷危險(xiǎn)點(diǎn)位于深梁結(jié)構(gòu)垮斷極限位置的下邊界。4頂板核心層初次塌斷見表13-1-2煤層工作面中部初次礦壓顯現(xiàn)特征如圖7所示。由圖7可看出,隨著工作面的推進(jìn),3-1-2煤層直接頂周期垮斷,周期來壓步距約3.2~8.0m。當(dāng)工作面推進(jìn)約34.4~36.0m左右,工作面中部來壓強(qiáng)度明顯增大,支架工作阻力達(dá)到7000~7600kN,此后又趨于平緩。由此可判定3-1-1煤層頂板關(guān)鍵層初次垮斷。圖8為3-1-1煤層房柱尺寸均為6m生產(chǎn)條件下,3-1-2煤層工作面中部礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。由圖8可以看出,每間隔約9.6~10.4m左右,工作面中部的來壓強(qiáng)度開始大,支架工作阻力達(dá)到7200~7600kN,煤壁片幫嚴(yán)重,給工作面正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。調(diào)整上部煤層房柱尺寸后,下煤層工作面中部來壓規(guī)律如圖9所示。上部煤層房柱尺寸分別為6m,2.5m時(shí),下煤層工作面中部來壓步距在9.6~10.8m,平均9.8m。來壓期間支架平均阻力在6800kN左右,最高達(dá)到7500kN。5結(jié)構(gòu)極限安全跨距1)運(yùn)用組合梁理論判定石屹臺(tái)煤礦3-1-1煤層頂板為上覆巖層載荷的主要承載關(guān)鍵層。2)給出深梁結(jié)構(gòu)固支、簡支及懸臂支撐條件下,堅(jiān)硬厚頂板深梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分量表達(dá)式。3)依據(jù)長梁結(jié)構(gòu)易破斷危險(xiǎn)點(diǎn),初步判斷不同支撐條件下堅(jiān)硬厚頂