采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法.pdf

第3 4 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 5 4 7 0 4 采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法 缪协兴，茅献彪，孙振武，浦海 中国矿业大学理学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要在采场覆岩运动中起主要控制作用的岩层为关键层，而有时关键层是由2 层或2 层以上 岩层形成的复合岩层所组成，我们称其为复合关键层．本文在深入揭示复合岩层形成机理的基础 上，给出了形成复合岩层的力学条件与数学表达式，进而建立了采场覆岩中复合关键层的判别方 法，并编写了复合关键层的判别程序．实例分析表明，复合关键层在岩层运动中是客观存在的，比 同组岩层分开后的单一岩层的控制作用的线性叠加要大得多．本项研究是岩层控制的关键层理 论研究的深入和发展，将有力促进岩层控制理论和技术的发展． 关键词关键层；复合关键层；复合岩层；岩层控制；判别方法 中图分类号T D3 2 5文献标识码A F o r m a t i o nC o n d i t i o n so fC o m p o u n dK e yS t r a t a i nM i n i n gO v e r l a y e rS t r a t aa n dI t sD i s c r i m i n a n c e M I A OX i e x i n g ，M A OX i a n b i a o ，S U NZ h e n w u ，P UH a i S c h o o lo fS c i e n c e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t K e ys t r a t a1 ‘S ar o c ks e a mw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tc o n t r o l l i n gr o l e si nt h em o v e m e n to f m i n i n go v e r l a y e rs t r a t aw h i l et h ek e ys t r a t ai ss o m e t i m e sm a d eu po ft w oo rm o r ec o m p o u n dr o c k s t r a t a ．A c c o r d i n gt ot h ed e e pa n a l y s i so nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc o m p o u n dr o c ks t r a t a ，t h e m e c h a n i c a lc o n d i t i o no fc o m p o u n dr o c ks t r a t af o r m a t i o na n dt h er e l a t e df o r m u l aa r eo b t a i n e dt o b u i l du pt h ed i f f e r e n t i a t em e t h o do ft h ec o m p o u n dk e ys t r a t ai nt h ec o a [ f a c es t r a t aa n dt h e c o r r e s p o n d i n gd i f f e r e n t i a t ep r o g r a mi sm a d e ．T h ee x a m p l ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ec o m p o u n dk e y s t r a t ao b j e c t i v e l ye x i s t si nt h em o t i o no fr o c ks t r a t a ，a n di tp l a y sam u c hm o r ei m p o r t a n tc o n t r o l l i n g r o l et h a nt h a t o fs i n g l er o c k ，w h i c hi ss e p a r a t e df r o ms a m er o c kg r o u p s ．T h i ss t u d yi st h e d e v e l o p m e n to fk e ys t r a t at h e o r yi ng r o u n dc o n t r o lr e s e a r c h ，w h i c hw i l ls t r o n g l yp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to ft h ek e ys t r a t at h e o r yi ng r o u n dc o n t r o la n di t st e c h n i q u e ． K e yw o r d s k e ys t r a t a ；c o m p o u n dk e ys t r a t a ；c o m p o u n dr o c ks t r a t a ；g r o u n dc o n t r o l ；d i f f e r e n t i a t e m P t h n d 煤系岩层多为层状岩体，由于分层厚度和分层 岩性的不同，因而在采场覆岩运动中各岩层所起的 作用各不相同，那些在覆岩运动中起主要控制作用 的岩层称之为关键层，为此，已初步建立了岩层控 制的关键层理论‘1 ’2 ；．随着岩层运动规律研究的不 断深入‘弘7 | ，人们发现，在采场覆岩由下至上的运动 发展过程中，并非全是一层一层向上传递，而有时 会有两层或两层以上多层岩层同步运动 包括同时 破断，并不发生层问错动 ．我们称两层以上发生这 种同步运动的岩层为复合岩层，如其复合岩层为关 收稿日期2 0 0 5 0 3 2 5 基金项目国家自然科学基金重大项目 5 0 4 9 0 2 7 0 ；国家杰出青年科学基金项目 5 0 2 2 5 4 14 ；教育部科学技术研究重点项目 1 0 5 0 2 4 作者简介缪协兴 19 5 9 一 ，男，江苏省江阴市人，教授，博士，博士生导师，从事力学与采矿工程方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 4 卷 键层，则称为复合关键层[ 8 。1 ⋯．由相关力学理论可 以推断，复合岩层比同组岩层一一分开的单一岩层 在岩层运动中的控制作用的线性叠加要大得多，原 因是复合岩层的弯曲刚度与岩层总高度呈立方关 系，因而往往复合岩层就是关键层．因此，采场覆岩 中复合岩层与复合关键层研究对发展岩层控制理 论与技术具有十分重要的意义，是岩层控制的关键 层理论研究的发展和完善，将给岩层控制技术的发 展提供理论依据和新的途径．本文将在深入揭示复 合岩层的形成机理的基础上，给出复合关键层的判 别方法和程序，并进行相关算例分析，从而建立采 场覆岩中复合关键层的基本概念． 1 复合岩层横截面上的剪应力 2 层或2 层以上岩层组成复合岩层的前提是 在其组合层破断之前没有发生错动 分开 ，即其横 截面上任何一处剪应力没有超过剪切强度极限．因 此，我们在给出采动覆岩中复合关键层的判别条件 和程序之前，先必须分析复合岩层的剪切强度．以 较典型的3 层复合岩层为例，如图1 给出了3 层岩 层组成的复合岩层的单位厚度的横截面图．图1 中 假设上下岩层较为坚硬，中间岩层较为软弱，各岩 层的厚度 矗。，h ，h 。 ，弹性模量 E ，，E 。，E 。 和截面 惯性矩 ，。，，，I 。 分别标于图1 中． E 毒2 易』3 图1 由3 层岩层组成的复合岩层 F i g ．1C o m p o u n dr o c ks t r a t am a d eu po ft h r e er o c ks t r a t a 为了分析问题简单，再假设该截面的中性轴位 于中间软弱层内，到截面底部距离为a ． 根据复合梁强度极限知识，图1 所示梁截面受 剪力Q 作用后可能发生错动 剪开 的位置应在岩 层胶结处和中性层截面 最大剪应力 处．由系统的 力学推导可得到下部岩层和中部岩层交界面上的 剪应力r ，。、上部岩层和中间岩层交界面上的剪应 力砀、中性层上的最大剪应力如，分别为 Q E l 2 a h 1 矗1 ‘1 3 2 E 1 I l E 2 ，2 E 3 1 3 ’ Q E 2 2 h 1 2 2 h 3 2 a h 2 砭3 _ 瓦耳再五万再矿’ 1 ● 2 ，一 Q E l 2 a h i h i ‘3 3 2 E 1 1 1 十E 2 J 2 E 3 1 3 十 嘉2I 篇舞岛I ， ㈤ E 11 E 2 ，2 E 33 ’ ⋯ 假设上下两层岩层厚度和岩性都相同，则 ‰一r z 。一黥筹黔， ㈤ r 1 产r 2 3 。页覆Z 丽’ 0 4 ’ Q E l 矗1 3 矗1Q E 3 h i ， Z 3 3 一- 页巫Z 雨互历 丽疆互i 露万。 妯’ 2 形成复合岩层的条件与判别程序 我们已经清楚，如在2 层或2 层以上岩层破断 之前其组合层的任意横截面都没有发生错动 剪 开 ，则为复合岩层．根据上节分析，假设仍由3 层 岩层组成复合岩层 见图1 ，其破断 包括初次破 断和周期破断 时横截面上的最大剪切力为Q 。。。， 与上节对应剪切面上的剪应力分别为砘⋯，r 2 3 ⋯ 和％汹。，而其剪切强度分别为，钆。，Z 2 3 b 和r 。扪则形 成复合岩层的条件为 f f ，。⋯≤r ，孙， 。 2 0 0 5 年第3 期被E i 收录论文 一 论文题目第一作者 桩侧土注浆提高单桩承载力试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯周国庆 基于内容的遥感影像检索若干问题的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杜培军 钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯李富民 矿物填料表面无机包覆改性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨玉芬 基于层状岩体渗流失稳条件的煤矿突水机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯孙明贵 厚沙土层下采场顶板关键层上的载荷分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯黄庆享 土地利用规划管理信息系统工作流建模研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王行风 上山掘进时卸压区应力及防突长度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯齐黎明 振动流化床干燥分区供热方式研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯杨国华 基于网络异地协同的零部件优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯方建群 重庆煤中稀土元素的地球化学特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯李大华 劈窗算法L S T 精度评价和参数敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯毛克彪 矿井热环境评价及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯欧晓英 门式刚架梁柱r 形节点受力性能的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯石永久 基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制模型及仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯葛红娟 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