大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响.pdf

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第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 6N o .2 F e b .2 0 2 1 大倾角 大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响 解盘石1 ’2 ,张颖异1 ’2 ,张艳丽1 ’2 ,陈建杰3 ,张晓波4 ,段建杰5 1 .西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安7 1 0 0 5 4 ;2 .西安科技大学能源学院,陕西西安7 1 0 0 5 4 ;3 .新疆焦 煤 集团 有限责任公司,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 2 5 ;4 .重庆市能源投资集团科技有限责任公司,重庆4 0 0 0 6 0 ;5 ,陕西冶金设计研究院有限公司, 陕西西安7 1 0 0 3 2 摘要为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2 1 3 0 煤矿 2 5 2 1 3 工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、R h i n o K u b “x F L A C ”相结合的数值模拟及现 场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶 板一支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局 部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现 象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非 对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破 坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、 架间相互作用等3 种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顸板对支架作用力明显减 小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于 后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区 域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施, 其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。 关键词大倾角煤层;大采高;煤矸互层顶板;支架一围岩;非对称受载;顶板控制 中图分类号T D 3 5 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 3 4 4 一1 3 I n s t a b i U t yl a wo ft h ec o a l - r o c ki n t e r b e d d e dr o o fa n di t si n n u e n c eo ns u p p o r t s i nl a r g em i n i n gh e i g h tw o r l 【i n gf a c ew i t hs t e e p l yd i p p i n gc o a Is e a m X I EP a n s h i l ”,Z H A N GY i n g y i l ”,Z H A N GY a n l i ‘”,C H E NJ i a n j i e 3 ,Z H A N GX i a o b 0 4 ,D U A NJ i a n j i e 5 1 .肠y 如6 0 m f 0 叫∥阢£e m 肘i 删脚f o i £。f i o n 帆d f n n r dP r 删e n £i o n 胁n 括£,y ∥E d Ⅱc Ⅱ£幻n ,崩’肌C h i u e 胎蚵矿s c j e 眦e 口凡d 死c n o f D ∥,施’o n 7 1 0 0 5 4 , 饥i 加;2 .c o f f E 酽旷眈r g ,&曲,黜肌dE n 百,聊 昭,崩’Ⅱn ‰如e 昭i £y 旷s c i 帆c e Ⅱ蒯‰ 肋z 唧,肌’伽7 1 0 0 5 4 ,傩i n n ;3 .x i 可i o 凡gC o 七f 凡gc o o fG r o Ⅱp c o 伊o r Ⅱ豳nL i m i £P d ,跏‘唧i8 3 0 0 2 5 ,矾i №;4 .∞o 凡钾i 凡gE n 8 呦’,n 螂f 桃州G r o 印,酰o n 钾抽g4 0 0 0 6 0 ,吼i n 口;5 .S Ⅱn 似iM 咖f f H r g i c ⅡfD ∞劬∽d 胁- s 唧℃ 风舭把c o .,厶d .,施’Ⅱ凡7 l 0 0 3 2 ,∞i n o A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ei n s t a b i l i t yl a wo ft h ec o a l 一r o c ki n t e r b e d d e dr o o fa n di t si n n u e n c eo ns u p p o r t sa tl a 唱e m i n i n gh e i g h tw o r k i n gf a c ei ns t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a m ,t h e2 5 2 13 一w o r k i n gf a c eo fX i n j i a n gC o k i n gC o a lG r o u p213 0 c o a lm i n ei st a k e na st h er e s e a r c ho b i e c t ,t h ei n s t a b i l i t yl a wo ft h er o o fa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er o o fa n ds u p . 收稿日期2 0 2 0 l l 一3 0 修回日期2 0 2 卜0 l 0 8 责任编辑郭晓炜D o I 1 0 .1 3 2 2 5 “c n k i j c c s .x R 2 0 .1 8 6 6 基金项目国家自然科学基金面上资助项目 5 1 7 7 4 2 3 0 ;国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 9 0 4 2 2 6 ;山东省 重大科技创新工程资助项目 2 0 1 9 J z z Y 0 2 0 3 2 6 作者简介解盘石 1 9 8 1 一 ,男,陕西三原人,教授,博士。E m a i l x i e p s x u s t .e d u .c “;t a y 5 8 4 q q .c o m 通讯作者张颖异 1 9 9 7 一 ,男,陕西延安人,硕士研究生。E m a ;l 1 2 5 7 5 “8 4 7 q q .c o m 引用格式解盘石,张颖异,张艳丽,等.大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响[ J ] .煤炭学报,2 0 2 l ,4 6 2 3 4 4 3 5 6 . X I EP a n s h j ,Z H A N GY i n g y i ,Z H A N GY a n l i ,e Ia 1 .I n s t a b i l i l yl a wo fl h ec o a l - m c ki n I e r b e d d e dr o o fa n di l si n n u e n c e o ns u p p o n si nI a 唱em i n i “gh e i g h tw o r k j n gf a c ew i t hs t e 8 p l yd i p p i n gc o a ls e a m [ J ] .J o u m a lo fc h i n ac o a Is o c i e ‘y , 2 0 2 1 .4 6 2 3 4 4 3 5 6 . 移动阅读 万方数据 第2 期解盘石等大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响 3 4 5 p o n su n d e rd i f k r e n tl a y e r sa n dt h i c k n e s sc o a l r o c ki n t e r b e d d e dr o o fo fs t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a ma r ea n a l y z e db y m e a n so fp h y s i c a ls i m i l a r i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ,n u m e r i c a la n a l y s i sc o m b i n e dw i t hR h i n o ,K u b d xa n dF L A C 3 u ,a n d f i e l dm o n i t o r i n g .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a i l u r eo fc o a l .r o c ki n t e r b e d d e dr o o fi sc a u s e db yt h ep a r t i a lc o m p r e s s i o n s h e a rf a i l u r eo fi n t e r b e d d e dc o a lf i r s t ,a n dt h e ns p I ℃a dt ot h ea d j a c e n ts o f tc o a li n t e r b e d d e da n dg a n g u e ,w h i c hl e a d st o t h eu n b a l a n c e dr o o ff a i l u r ea n di n d u c e sr o o fc a V i n ga n dr i bs p a l l i n g .T h ew o r k i n gs u p p o r tr e s i s t a n c e ,r o o fm a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s sa n dr o o fd e f o r m a t i o nh a v eo b v i o u sa s y m m e t r yc h a r a c t e r i s t i c si ns t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a mu n d e rc o a l I D c ki n t e r b e d d e dr o o f .W i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fg a n g u el a y e r s ,t h er a n g eo fc o n c e n t r a t e ds t I e s s ,s u I T o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o na n dp l a s t i cf a i l u r eo fc o a l - r o c ki n t e r b e d d e dr o o fa b o v et h es u p p o r t sa r ei n c r e a s e d .T h e r ea r et h r e ei n - t e r a c t i o nc h a r a c t e “s t i c sb e t w e e ns u p p o r t sa n ds u r r o u n d i n gr o c k ,n a m e l y ,p o s i t i v ec o n t a c tb e t w e e nm o fa n ds u p p o r t s , b r o k e nm o fa c t i n go ns u p p o r ts h i e l db e a m ,a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns u p p o r t s .C o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a lr o o fi n s t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a m ,t h ea c t i n gf o r c eo fc o a l I D c ki n t e r b e d d e dr o o fo nt h es u p p o r ti ss i g n i f i c a n t l yr e d u e e d .T h e s u p p o nw o r k i n gr e s i s t a n e eu n d e rc o a l - I D c ki n t e r b e d d e dr o o fi sa s y m m e t d c a l ,g e n e I a l l y ,t h ei n c l i n e dm i d d l ea n dl o w e r p a r ti sl a r g e rt h a nt h eu p p e rp a r to fw o r k i n gf a c e .T h es u p p o r t sa r ea s y m m e t r i c a l l yl o a d e d ,a n dt h el a t e r a ll o a do ft h e s u p p o r t s ’f l o n tl e ga r eg r e a t e rt h a nt h eb a c kl e g .H o w e v e r ,w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o a lg a n g u er o o ft h i c k n e s s ,t h e l o a d i n gd e g r e eo ft h et o pb e a mt e n d st ob eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e d .B a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t s ,i no r d e rt oe n s u r es 如 a n de m c i e n tp I D d u c t i o no fw o r k i n gf a c e ,as e r i e so fc o n t r o lp r i n c i p l e sf b rt h es t a b i l i t yo ft h es t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a m u n d e rc o a l 一r o c ki n t e r b e d d e dI D o fa r ep u tf b l w a r d ,s u c ha ss h o n e n i n gt h et i m eo ft h ee m p t y s u p p o n ,r e g i o n a lc o n t r o l , a d v a n c eb l a s t i n ga n dr e a l - t i m ed y n a m i cm o n i t o r i n go fw o r k i n gf a c er o c kp r e s s u r e . K e yw o r d s s t e e p l yd i p p i n gc o a ls e a m ;l a 唱em i n i n gh e i g h t ;c o a l r o c ki n t e r b e d d e dI .o o f ;s u p p o r ta n ds u I T o u n d i n gm c k ; a s V m m e t r i c ;r o o fc o n t r o l 大倾角煤层是指埋藏倾角为3 5 。~5 5 。的煤层, 是国内外采矿界公认的难采煤层J 。近年来大倾角 煤层开采技术不断进步心。3J ,但在大倾角大采高煤矸 互层顶板工作面,开采时由于各互层顶板呈非协同变 形,该类煤层顶板极易发生失稳破坏,导致工作面矿 压显现异常剧烈,并且由于采高的增大,工作面甚至 会发生煤壁片帮、倒架及冒顶事故,从而影响支架一 围岩系统整体稳定性,严重影响煤矿的正常生产,并 对工作人员的人身安全造成威胁。因此,研究大倾角 煤层煤矸互层顶板下支架与围岩关系,对该类煤层的 安全开采具有重要的理论与现实意义。 近年来,已有许多学者对大倾角煤层采场围岩运 移规律H 咱J 、工作面支架一围岩关系“ 一叫以及支架受 载和失稳特征⋯‘1 引进行了大量的研究,为“支架一围 岩”稳定性提供了一定的基础。但在实际生产中,大 倾角煤矸互层顶板较一般顶板更为复杂。虽有学者 针对大倾角薄煤层复合顶板破断特征、工作面防倒滑 措施4 6 I 、特厚复合顶板锚杆支护方法卜1 9 。、工作 面复合煤层的综合机械化开采技术旧0 。2 1J 、大倾角煤 层复合顶板的支护参数“ 2 | 、倾斜复合顶板巷道破坏 及其稳定性控制的方法旧卜驯进行了研究,但针对大 倾角煤层煤矸互层顶板下支架与围岩关系的研究较 少。 因此,笔者以新疆焦煤集团大倾角大采高采场下 煤矸互层顶板工作面液压支架为研究对象,通过三维 数值模拟、物理相似模拟实验及现场监测相结合的方 法,研究工作面煤矸互层顶板变形破坏特征,探索煤 矸互层顶板作用下支架的力学响应规律,为该类顶板 条件下支架围岩关系及顶板稳定性控制提供借鉴。 1 工程概况 新疆焦煤集团有限责任公司2 1 3 0 煤矿2 5 2 1 3 工 作面主采5 号煤层,煤层结构复杂,回采范围内煤层 倾角3 5 。~4 5 。,平均3 8 。,煤层厚度9 .1 4 ~1 3 .2 7m , 平均1 0 .9 8m ,底部区域煤质较好,厚度4 .2 7 .8m , 平均5 .4m ,埋深2 3 2 2 7 2m 。5 号煤层顶部区域为 煤矸互层,厚度为4 .9 4 ~5 .4 7m ,大部分含2 层夹 矸,单层夹矸厚度0 .6 8 ~2 .9 7m ,夹矸间单层煤层厚 度0 .6 5 ~2 .7 5m ,煤质较差,底部区域煤质较好,厚 度4 .2 ~7 .8m ,平均5 .4m 。煤的抗压强度为 9 .4M P a ,黏聚力为16 0 0G P a ,容重为1 3 .5k N /m 3 , 夹矸以炭质泥岩和粉砂岩为主,平均单向抗压强度为 5 1 .4 7M P a ,顶板以灰白色粗砂岩和中砂岩为主,单 向抗压强度为1 0 3 .2 5M P a 。2 5 2 1 3 工作面布置于5 号煤层底部区域,采用大倾角煤层走向长壁大采高综 采方法开采,采高4 .5m ,工作面现场煤矸互层顶板 冒顶情况如图1 所示。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 b 工作面倾斜j 二部 图l工作面架前冒顶情况 r 酶l I { o o ff a l l i n ga h e a 1 J fs u p p o l l s 2 数值计算模型与相似模拟实验设计 2 .1 支架建模及参数确定 新疆焦煤集阴煤矸互层顶板工作面大倾角大采 高工作面布置如图2 所示,笔者以工作面支撑掩护式 液压支架z Y 6 5 0 0 /2 2 /4 8 为研究对象,其最大结构高 度4 .8 - n ,支架最大宽度为1 .7 5m ,最大I 作阻 力65 0 0k N ,支架结构主要包括立柱液压缸、前连 杆、底座、后连杆、掩护梁、平衡液压缸、顶梁;铰接点 包括前连杆铰接点、后连杆铰接点、掩护梁一顶梁铰 接点、平衡液压缸铰接点、立柱液压缸铰接点。采用 R h i n o 软件建立液压支架- - i 维模型,如图3 所示。建 模时,顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆按照弹性体处理, 底座视为刚性体。其中R h i n o 进行网格划分,再通过 K u b r i x 导入F L A ∥’中实现。 同时,为了更为准确的模拟支架的性能,假设液 压缸在正常’F 作时无泄漏,当活塞受到外力作用产生 位移时,一腔压力升高,另一腔压力降低,所产生的复 位力与活塞位移成正比,其作用相当于一个线性液压 弹簧。同时,考虑到摩擦力和黏性阻尼力等的存在, 将其等效为弹簧阻尼系统旧5l 。 液压缸的等效刚度计算公式口6 。为 K 半 ㈩ K 』坐 1 式中,K 为等效刚度系数,N /n 一;4 .,为活塞有效面 积,m ,4 。, 盯 D i D ; /4 ;卢。.为液压介质体积弹性模 必矸 图2T 作面布髓 p l i g .2h y o L l l ‘J fw fJ l ’k i l l gf 、a ‘e H3 二维支架数仇汁算模型 } 1 i g .3 ’1 1 1 1 r P t 、一‘i i n l P l l s i o l l a l1 1L l l l l P l - i 。a l1 1 1 t l e l fs u p l ‘’l 量,N /n ,2 ;L 为液压缸内油腔长度,1 ;D 。为活塞赢 径,m ;D ,为活塞杆直径,m 。 一般情况F ,支架顶梁、尾梁、掩护梁等均为 1 6 M n 钢,弹性模量为2 0 8G P a ,泊松比为0 .3 l ,立柱 弹性模量为9 8 0M J ’a ,泊松比为0 .3 ,密 度78 5 0k g /n ’。其中,立柱液压缸和平衡液旭缸主 要参数见表l 。液压缸动力介质为乳化液,体积弹性 模量为0 .5G P a 。 表l立柱液压缸和平衡液压缸主要参数 T a b l elM a i np a r a m e t e r so fl e gc y “n d e ra n d b a l a n c ec y l i n d e r 将表j 所列液压缸主要参数代人式 1 ,计算得 到的立柱液压缸和平衡液压缸等效刚度系数分别为 K 8 .5 1 0 6N /m ,K 4 .5 1 0 7N /m ,其中立柱液压 缸等效刚度系数由一、二级液压缸分别等效后再按照 串联弹簧刚度公式计算。 万方数据 第2j 9 j解艋彳i 等大倾角火采高煤矸’f 层顶板失稳规律及对支架的影响 2 .2 煤矸互层顶板与支架建模 根据不同煤矸互层顶板条件下大倾角大采商采 场同岩运移规律” ,结合大倾角煤层长壁采场J 、证力 演化规律旧8 I ,首先建立原始采场模型,如图4 a 所 示,根据采场不同推进度下不同区域役岩载荷值,将 不旧载荷代人到支架围岩模型,即沿二I 作而倾斜方 向,将支架与煤矸q 层顶板数值计算模,魁分为倾斜上 部、中部、下部,不旧夹矸顶板条件F 局部支架模,I 如 2 5 2 13I 作㈨ 煤矸忆层顶扳 图4 I 所示,模型边界条件为模型两侧限制沿倾向 位移,底部限制垂直移动,上部施加覆岩等效载荷,其 中,d 为煤层倾角。采用犀牛软件R №㈨建立液压支 架模型,并进行网格划分,冉通过K u I i x 导入F I A ∥’ 中,在工作面开挖开切眼后,把支架等比例模型布置 于工作面,对支架选用各向同性弹性模型m e c h a i c a I e l a s t i t 赋参,模拟其初撑力,循环开挖,依次随采移动 异形液压支架。 节点数 2 9 95 2 3 单无数 2 8 8 0 0 0 倾角“o 3 8 b 1 i 刖火“ 顺扳条f J { I 、局部模’I I 阁4 数值计算模型 F 嘻4 N I l ⋯“ ‘a l 叫 【l P Id i a g l 圳1 s 2 .3 物理相似模拟模型的建立 根据2 5 2 l3 ] 作面以及岩层物理力学参数。走 向模型几何相似比为1 1 0 0 ,应/J 相似常数1 6 0 ,时 间棚似常数l o ;倾阳模型几何相似比1 3 0 ,应力相 似常数4 8 ,时间相似常数√3 0 ,选取河砂作为骨料, 石膏、大r 1 粉作为胶结材料,物理模型村I 似材料配比 见表2 ,分别柏走向试验架 50 0 01 1 1 1 1 1 2 0 0 1 1 1 1 1 l5 0 0m 1 1 1 、平立交互口J .加载实验架 15 0 0m , 6 0 0 1 1 1 1 1 l5 0 0m Ⅲ 上铺装模拟材料,经过铺平、压 实、人为预制裂隙等步骤,采用云母模拟分层,铺装好 的走向与倾向实验模型如图5 所示。 在模拟工作面倾斜下部区域底板布置C 1 .一Y B 1 1 4 w x 型有线应力传感器,用于峪测j 作面垮落矸 石对底板的作用力;[ 作面铺没自主研发的液压支架 监测采场支架工作阻力变化规律;拍照记录顶板破断 形态、岩块铰接情况及垮落矸石和支架的作用状态; 采用数据采集箱及电脑终端接受处理传感器信号,如 图6 所示。 表2 相似材料配比 T a b l e2R a t j oo fs i m i I a rm a t e r i a l s 万方数据 3 4 8 煤炭报 2 0 2 1 年第4 6 卷 冬15 物理;{ l l 似材料模型 I .’j g .5P h y m d l 幽乩1 1 - 1 1 1 a I “a l 1 1 1 0 { 顶板心力‘j 位移传感器 位移传感器 b 倾向实验支架模,弘 c 相机拍摄i 止求 d 数据采集系统 图6 实验设备 3大倾角煤层采场煤矸互层顶板与支架相互 作用规律 3 .1 不同夹矸层数煤矸互层顶板与支架相互作用特 征 3 .1 .1 应力演化特征 ⋯图7 呵知,工作l i 】j 了支架1 .方顶板范围内J 、t 力分 l 层夹州‘2 层夹计3 』。火矸 3 5 2 .■篱遵蒸戳一4 3 5 0 l ,.1 季镧_ 罐霎瓢- ■i 。 磬,._ 一二 3 2 5 2 7 5 篇瓯_ - 攀 2 5 0芒 2 2 5 蛊 倾 t s o 至 l7 5 主 1 2 5o 7 5 倒 ..‘’l 等黑勇酵≯. 2 5 ’E 斜 灞 暇一七l 【Ii 曲7 5 0 1 2 3 .4一6 9 .8 上 部 麟黼辫湖 y 韵j 桑F 5 9 36 5 5 0 4 5 0 倾 ...『-『≮。I薰} _ _ I ..擎i 4 2 0 荟 、幺濯皎妒-一j鬻。ji 2 5 0 ≤ 斜 /器j .葛 }, 0 0 .o 5 0; 0 性 0 0 6 0 5 0 4 5 .3 l9 .9 婪隧茎器蘩一 5 0 ●懿,。。蘧 4 4 91 2 5 0“麓5 0 5 0 £5 0 £ 0 姜 ’ 0 I 0 0 鼍 .,’q愚 0 ■ 强r H 5 0 l l 7 I 作面倾向方阳剖面最大F 应力演化特征 l j g .7 h d r a 。t e l .i s 【i c s fl a x i l l u 】1 1 1 l i f l c j p “l t l ‘P H Hv 1 ll l i o l ln n ‘I i l l P 1P ‘‘I i o n } f J l k i ”g0 万方数据 第2j 9 j解蕊壬i 等人倾角大采高煤研f f .层顶板火稳规律1 6 乏对支架的影响 3 4 9 布呈明h I 非列‘称性,工作而倾斜中部Ⅸ域的支架与夹 矸问的最大主应力值达到最大,整体呈倾斜中下部大 于_ J 部的特征。煤矸互层顶板作门J 下,支架掩护梁与 尾梁铰接处有明显的』、证力集中,单个支架』、证力。毒现出 倾斜上力4 小下力‘大的特点。部分支架Ⅳq 连杆结构受 到非对称载荷f 1 ;用,导敛支架四连杆上6 部受载过高。 同时支架的最大主J 、迈力随糟夹矸层数的增加而减小 沿L 作面走向剖面[ 作嘶不删区域支架‘j 央矸 的最大主应力特征 了] 作面倾斜方向棚同,如同8 所 示,支架L 方顶板范围内应力集中早现f f 』倾斜巾下部 大于上部的非埘称特征,图8 - f ,的“l ,2 ,3 ,4 ”分别为 在该2 层夹矸条件F 对支架f 方的煤矸互层顶板做 平行于顶板的4 个剖切面的位置。,支架顶梁‘亏一讧柱 铰接处有明显的应力集中现象,底座前端和后泣柱柱 脚彳r 小范围应力集中,支架受载明湿呈非对称特征。 支架护帮板存在应力集中,说f 州护帮板前方煤壁发生 变形破坏,并作用于护帮板} 。叫‘以孑亍出,由于央矸 顶板的作用,支架I 方央矸巾煤线会吸收 莲本顶作用 了二支架时的一部分能量,缓冲r 夹矸顶板和支架受七 方牲本顶的作用。即随着火矸层数的增加支架的最 大手应力则有所降低,而顶板r f I 的集| { - 应力影响范围 贝0 | f 1 { 最增力f l 。 止火{ J2 』,火i f i |3 』。、欠甜 倾 斜 J 翻 倾 斜 r l l 糊j 扩, 』、逆/ 火i f 应力- - 5 9 3 6 5 0 0 4 0 0 3 0 0 罡 2 0 0至 、 1 0 0 芝 0 1 0 0 倾 斜 下 部 4 3 5l 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0F 2 0 0三 l5 0j 1 0 0≥‘ 5 0 ~ O 5 0 l O O 一1 2 34 4 4 9 .1 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 罡 2 0 0 至 l5 0 3 0 0 芝 5 0 O 一5 0 1 0 0 11 8 .8 J 冬I8L 1 1 l 自I 止I f _ I J 力‘f i ,J 疗| J 函I 山女大j 三J 、证/J 1 ;i 化特f I I F i 譬.8 【h d l l H ‘f P l .i b t i t ‘h ‘ r1 1 1 a x iJ l u 1 11 l ‘i n ’i p a l l I .P s se 、 I l l I i I l l li 1 1s l I ’i k P d i l I P l i ‘ 1 1s e - l i n J fw 1 - k i l l gI l t - 由上述分析叮知,j l 作面倾斜小部Ⅸ域应力集中I 岛的煤研互层顶板 第2 层夹矸和煤线 应力释放区 最大,且现场煤矸互层顶板1 二作而多以2 层央矸为域范围明显比低位顶板 第l 层夹矸和煤线 人,H . 主,故选取l 作向中部2 层央矸下的煤矸互层顶板进‘丁图8 ,9 中2 层夹矸现象一致。2 层煤线的垂直成 行分析,对图8 倾斜巾部两层夹矸下煤矸。q 层顶板各/J 最大值与央矸顶板应力最大值相比较小,呵看} j j 央 夹矸和煤线沿平行顶板方m 进行剖切,各剖面J 、证力特 们层状应力分布具彳r 明娩的分I x 特征,f L i 煤线心力影 征如图9 所示。| _ 扫l 割9 【盯知,T 作面支架卜- 方的煤矸响Ⅸ域均大于夹矸顶板,、迈力影响区域,足由于煤线相 ,F 层顶板区域应力释放Ⅸ较大,f i 波及到_ _ _ r 作而支架 划‘于夹矸硬度较低,受到应力作用时,煤线较容易发 前方煤壁,并产生一定的超| j i 『支承门i 力。支架I 方较牛压剪破坏,造成贯通,从而影响【 i 域增大,,I 作l f l _ 『 弱弛“挖“陀“巧之、。 日l至/[、兰 5 O O O 0 O 0 0 8 5 O 5 O 5 O 0 5 3 3 3 2 2 ●,5 O ■■■■■■■■■■_ kih 讥力£皇三.互 4 J O 3 3 O O O O , 4 4 3 2 ● O 一 一■■■■■■■■■■■ 8 0 0 O 0 0 O 0 L 3 O 0 O O O O O 0 8 O O 0 0 0 0 O ● 7 7 6 5 4 3 2 ●0 一 ■■■■■■■■■●●■■ dp至i三 2 0 0 0 0 O 0 O O O 6 8 O O O O O O O ●● 7 7 6 5 4 3 2 ●O 一 ■■■■■■■■●■_ ■譬..■一一一。一 ~一一一黟一一一 日L至\R芝 ,U ,- 2 O O O O 0 0 0 O 0 2 ●O 5 0 5 0 5 O O 5●● 4 4 3 3 2 2●●5 0 一 一 万方数据 3 5 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 支架支撑区走向 支架支撑L 第l 层夹训 1 一l 削帅 第l 层煤线 22 削嘶 a 第】层央矸、煤线 支架戈撑k 止⋯ 支架支撑区 第2 层央『i | 3 3 剖Ⅲ 第2 层煤线 f 4 4 音0l f i | b 第2 层夹“ 、煤线 O O4 一O 5 一O6 O 9 2 .O 一3 .7 5 .O l5 .0 2 5 .0 3 5 .O 一4 5 .O 5 5 .O 0 一O .5 0 .6 07 一1 .1 16 27 5 .O l5 一2 5 .0 3 5O 一4 5 .0 5 5 .0 图9两层夹矸_ F 煤研旺层各顶板应力剖面 F i g .9 S l | - P s 8p r n l e1 1 1 a p s fe a ’h ’ a 1 一I ‘ki n t P I .h e 1 t I P f l I ’o J fu n 1 e l _ 1 w ,l d y e r s “g a n g L I P J 1 采过程c { I ’该类顶板更易形成应力集中,出现离层 等现象,易引发架前冒顶。可以看出,煤矸。巨层顶板 的破坏是由j 二夹矸内煤线先发生局部压剪破坏,随后 扩展贯通引发煤矸互层非均衡破坏。 3 .1 .2 位移演化特征 在_ [ 作面的不I 司区域,煤矸Ⅱ层顶板位移l } 有倾 斜L 部大,倾斜F 部小的特征,底板也具有非刈‘称变 形特征,但变形分布特点‘J 顶板相反。煤矸互层顶板 的变形与支架支护范闹有明显的相关性,盯于支架的 支撑作用,与支架直接接触的顶底板变形接近零值, 煤壁变形亦不明垃。 3 .1 .3 塑性区演化特征 沿工作面倾斜力‘向顶板呈非对称塑性破坏,如 罔1 0 所示,工作面倾斜上部煤矸互层顶板较稳定, 塑性破坏范围小,倾斜下部破坏范围较大,『f 1 『倾斜 巾部塑性破坏程度最大,并波及煤壁和基本顶岩 层,岗此,.I 作面中部岩层是控制煤矸互层顶板的 父键。,在支架作用一卜.,煤矸互层顶板中靠近支架的 第一层煤线首先产,} 三局部应力集中,造成压剪破 坏,随后向附近煤线、夹矸扩展,继而导致煤矸互层 顶板破坏。采场围岩的塑性破坏程度随夹矸层数 的增加具有逐渐增加的趋势。 层夹矸 2 层央矸 3 层火计 倾 斜 上 翻j 倾 斜 中 部 薰 j ;霹 H №1s l “ I 『p \一、7 1 ■■_ 巾c .} rns 1 1 c a lp\k●■■■r I c ㈧㈨p \一舞L ■■■r 羔嚣。。。。镌熬∥ ㈦㈧T 1 _ ㈦№op 飞■■畦目『\ ㈦⋯⋯1p、7 、肛f 1r 『i /.‘Z s h c a rns h c a rD s h c a r
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