工作面關(guān)鍵層判別及破斷距計(jì)算

4.29804工作面覆巖關(guān)鍵層判別方法關(guān)鍵層判別方法分為以下3個(gè)步驟進(jìn)行：第1步，由下往上確定覆巖中的堅(jiān)硬巖層位置。此處的堅(jiān)硬巖層非一般意義上的堅(jiān)硬巖層，它是指那些在變形中撓度小于其下部巖層，而不與其下部巖層協(xié)調(diào)變形的巖層。假設(shè)第1層巖層為堅(jiān)硬巖層，其上直至第m層巖層與之協(xié)調(diào)變形，而第m+1層巖層不與之協(xié)調(diào)變形，則第m+1層巖層是第2層堅(jiān)硬巖層。由于第1層至第m層巖層協(xié)調(diào)變形，則各巖層曲率相同，各巖層形成組合梁，由組合梁原理可導(dǎo)出作用在第1層硬巖層上的載荷為（4-1）式中：q1(x)|m為考慮到第m層巖層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層形成的載荷；hi，γi，Ei分別為第i巖層的厚度、容重、彈性模量(i=1,2,…,m)?？紤]到第m+1層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層形成的載荷為（4-2）由于第m+1層為堅(jiān)硬巖層，其撓度小于下部巖層的撓度，第m+1層以上巖層已不再需要其下部巖層去承擔(dān)它所承受的載荷，則必然有（4-3）將式（4-1），（4-2）代入式（4-3）并化簡(jiǎn)可得（4-4）式(4-4)即為判別堅(jiān)硬巖層位置的公式。具體判別時(shí)，從煤層上方第1層巖層開(kāi)始往上逐層計(jì)算及，當(dāng)滿足式(4-4)則不再往上計(jì)算，此時(shí)從第1層巖層往上，第m+1層巖層為第1層硬巖層。從第1層硬巖層開(kāi)始，按上述方法確定第2層硬巖層的位置，以此類(lèi)推，直至確定出最上一層硬巖層(設(shè)為第n層硬巖層)。通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬巖層位置的判別，得到了覆巖中硬巖層位置及其所控軟巖層組。第2步，計(jì)算各硬巖層的破斷距。堅(jiān)硬巖層破斷是彈性基礎(chǔ)上板的破斷問(wèn)題，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，硬巖層破斷距采用兩端固支梁模型計(jì)算，則第k層硬巖層破斷距l(xiāng)k可由下式計(jì)算：（4-5）式中，hk為第k層硬巖層的厚度，m；σk為第k層硬巖層的抗拉強(qiáng)度,MPa；qk為第k層硬巖層承受的載荷，MPa。由式(4-1)可知，qk可按下式確定：（4-6）由于表土層的彈性模量可視為0，設(shè)表土層厚度為H，容重為γ，則最上一層硬巖層即第n層硬巖層上的載荷可按下式計(jì)算：（4-7）式(4-6)、(4-7)中，下標(biāo)k代表第k層硬巖層；下標(biāo)j代表第k層硬巖層所控軟巖層組的分層號(hào)；mk為第k層硬巖層所控軟巖層的層數(shù)；Ek,j，hk,j，γk,j分別為第k層硬巖層所控軟巖層組中第j層巖層彈性模量、分層厚度及容重，單位分別為GPa，m，MN/m3。當(dāng)j=0時(shí)，即為硬巖層的力學(xué)參數(shù)。例如E1,0，h1,0，γ1,0分別為第1層硬巖層的彈性模量、厚度及容重，E1,1，h1,1，γ1,1分別為第1層硬巖層所控軟層組中第1層軟巖的彈性模量、厚度及容重。第3步，按以下原則對(duì)各硬巖層的破斷距進(jìn)行比較，確定關(guān)鍵層位置。1)第k層硬巖層若為關(guān)鍵層，其破斷距應(yīng)小于其上部所有硬巖層的破斷距，即滿足：（4-8）2)若第k層硬巖層破斷距l(xiāng)k大于其上方第k+1層硬巖層破斷距,則將第k+1層硬巖層承受的載荷加到第k層硬巖層上，重新計(jì)算第k層硬巖層的破斷距。若重新計(jì)算的第k層硬巖層的破斷距小于第k+1層硬巖層的破斷距，則取lk=lk+1。說(shuō)明此時(shí)第k層硬巖層破斷受控于第k+1層硬巖層，即第k+1層硬巖層破斷前，第k層硬巖層不破斷，一旦第k+1層硬巖層破斷，其載荷作用于第k層硬巖上，導(dǎo)致第k層硬巖隨之破斷。3)從最下一層硬巖層開(kāi)始逐層往上判別lk<lk+1(k=1,2,…,n-1)是否成立，及當(dāng)lk>lk+1時(shí)重新計(jì)算第k層硬巖層破斷距。例如，假設(shè)由第1，2步確定出覆巖中有3層硬巖層，各自破斷距分別為l1，l2，l3，根據(jù)上述原則確定關(guān)鍵層位置的流程如圖4-6所示。圖4-6關(guān)鍵層位置判別流程圖4.39804工作面覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果與分析對(duì)開(kāi)元煤礦9804工作面附近的鉆孔柱狀進(jìn)行關(guān)鍵層位置判別結(jié)果見(jiàn)圖4-7，判別過(guò)程中巖層破斷角取70o，松散層載荷傳遞系數(shù)取0.6。(c)H64鉆孔由圖4-7可知：9804工作面附近的覆巖主關(guān)鍵層為9.2m的中砂巖，亞關(guān)鍵層為6.34m的細(xì)粒砂巖。同樣，由關(guān)鍵