综放开采顶煤应变软化特性对支架载荷限定作用的研究.pdf

第23卷第2期煤炭学报Vol. 23 No. 2 1998年 4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYApr. 1998 综放开采顶煤应变软化特性对支架 载荷限定作用的研究 康 立 军 煤炭科学研究总院北京开采研究所 摘要 根据现场实测、实验室相似材料模拟和力学分析结果,阐述了综放开采顶煤的受力 特性和放顶煤液压支架的3种工作方式,建立了综放开采支架与围岩作用关系的弹簧-滑块力 学模型,认为垮落带与裂隙带顶板的接触条件、顶煤的残余强度和支架安全阀开启压力是影响 放顶煤液压支架工作方式的3个主要因素. 关键词 放顶煤开采 顶煤 应变软化 液压支架 限定载荷 中图分类号 TD 823197 TD 323 1 综放开采顶煤的受力特性 放顶煤液压支架与顶板的相互作用是通过中间介质 顶煤 实现的,因此,顶煤的力学特性将 直接影响支架与顶板的相互作用效果. 在给定的地质条件下,顶煤从原岩应力区过渡到采动影响区,直至冒落,主要经历了两个受力阶 图1 阳泉四矿北8312综放工作面顶煤内应力分布 Fig11 Stress distribution in top coal in the north No18312 fully mechanized sub2level caving face of Yangquan No14 mine 1 垂直应力σv; 2 水平应力σh; 3 σv-σh 段.在煤壁前顶煤受支承压力的作用,在控顶区顶 煤受到支架和顶板压力的双重作用. 111 超前支承压力范围内顶煤的受力特性 图1是用钻孔应力计测得的阳泉四矿北8312 综放工作面顶煤内应力分布结果,在距煤壁48 m 处钻孔应力计的初始值垂直应力和水平应力是 根据煤体的单向抗压强度设定的,取值过高造成钻 孔变形卸压,取值过低则应力计传力效果差.由图 1中曲线1 , 2可以看出,在煤壁前8～45 m范围 内,随测点接近工作面,顶煤内垂直应力缓慢增 加,水平应力明显衰减;在煤壁前0～8 m范围内, 垂直应力和水平应力均明显递减.将钻孔应力计测 得的应力视为顶煤单元体围压,在支承压力范围 内,顶煤单元体在三向应力作用下的变形特征如图 1中曲线3所示.由岩块在三向力作用下变形特性的室内试验结果推测,随垂直应力σv与水平应力σh 收稿日期 1997-09-01 差σv-σh的增加,顶煤内微裂隙逐渐闭合,σv-σh继续增加,裂隙表面发生摩擦滑动,此时临界 裂隙开始扩展,裂隙首先向最大主应力方向发展,最后与其平行,并形成次生裂隙;当σv-σh再继续 增加时,这些次生裂隙就发展成为主裂隙,这个过程将随σv-σh的增加而重复出现.当顶煤内裂隙长 度和密度达到一定值时,顶煤即发生剪切滑移破坏,其承载能力随之降低. 在煤壁前,顶煤的剪切滑移破坏属“强度破坏”,破坏的顶煤仍有一定的承载能力,其强度介于峰 值强度和残余强度之间.为了便于分析,把介于峰值强度和残余强度之间的强度值定义为“剩余强度”. 煤壁前破坏区内的顶煤随接近工作面,其破坏程度不断增大,“剩余强度”逐渐减小,其受力特性位于 应力曲线的BC段内. 112 控顶区内顶煤的受力特征 控顶区的顶煤在支架和顶板压力共同作用下,破坏程度进一步加深,煤体内的裂隙和弱面密度增 加,顶煤的整体强度明显降低.顶煤的受力特性位于应力-应变曲线的CG段内图1中曲线3 . 图1曲线3中ED和DFG分别为支架卸载和增阻阶段顶煤的受力特性曲线.可以看出,随支架阻 力增加,顶煤内垂直应力不断增加,当“应力”超过顶煤的“剩余强度”时,顶煤发生进一步的破坏, 顶煤的“剩余强度”随之降低.当顶煤的“剩余强度”降到一定值后,顶煤不能“有效”地将顶板下沉 量或顶板压力有效地传递给支架,导致随顶板下沉,支架阻力随之减小或不变的“卸压”现象发 生.顶煤的这种“卸压”作用称为顶煤的“限定载荷”作用. 图2 弹簧-滑块单元模型 Fig12 Model of spring2slide element 113 顶煤受力的弹簧-滑块力学模型 上述顶煤在达到某一“剩余强度”前的有效传 力特性和达到某一“剩余强度”后的“限定载荷” 作用,以及“剩余强度”随顶板下沉量增加而减小 的特性,可用流变学的滑块单元模拟图2 . 图2 a为滑块单元,滑块的摩擦阻力是其 位移s的单调减函数图2 c .图2 b为一 滑块单元与弹簧元件串联组成的弹簧-滑块单元, 单元可以较好地反映岩块在加载、卸载和重复加载 时的性态,当弹簧-滑块单元受轴向力F′ 作用时, 弹簧反力和压缩量将随F′ 的增加呈线性增大,当 F′ 达到滑块单元的当前摩擦力F0时,滑块产生位移,摩擦力随位移量增加而减小,弹簧-滑块单元的 承载能力随之降低,此过程可以模拟顶煤的应变软化特性和重复加载特性;去掉轴向力F′ 后,弹簧的 弹性变形完全恢复,而滑块的位移为不可恢复的永久变形,该过程与顶煤卸载时的应力-应变关系比较 相似.单一的弹簧-滑块单元受到模拟复杂塑性变形现象的限制,而把更多的单元并联在一起就能更好 地反映复杂材料的性态图2 d . 2 放顶煤液压支架的工作特性模型 虽然放顶煤液压支架在结构上有别于其它类型的液压支架,但其工作特性与其它液压支架是一样 的.即随支柱下缩,支柱阻力“线性”增加,当达到安全阀开启压力后,支柱阻力随活柱下缩而保持 “恒定”在某一幅度内波动 . 放顶煤液压支架的上述工作特性,可用流变学的弹簧和塑性元件串联组成的弹塑性元件来模拟图 3 .该模型能反映支架阻力随活柱下缩而升高以及支架安全阀开启后保持“恒阻”的工作特性.当弹簧 元件受轴向力Fz作用时,在Fz达到塑性极限Fzmax之前,塑性元件无变形,弹簧阻力和压缩量随Fz增 141第2期 康立军综放开采顶煤应变软化特性对支架载荷限定作用的研究 加呈线性增大,该过程可模拟支架的增阻特性;当Fz达到Fzmax时,塑性元件开始变形,这时即使Fz 不增加,变形也会发展,使弹-塑性元件的阻力保持恒定,这一过程可与支架安全阀开启时的恒阻特性 相比拟. 3 放顶煤液压支架工作方式 现场测量和相似材料模拟结果表明[1],放顶煤开采,顶板在垮落过程中仍可形成不规则垮落带、 规则垮落带、裂隙带及其上的弯曲下沉带图4 . 图3 弹-塑性单元模型 Fig13 Model of elasto2plastic element 图4 顶板垮落分区相似材料模拟 Fig14 Zoning of predicted caved zones simulation with equivalent materials 若不规则垮落带顶板和顶煤在煤壁附近断裂,并与规则垮落带离层,这时断裂顶板和顶煤的大部 图5 支架与围岩相互作用关系弹簧-滑块力学模型 Fig15 Mechanical model of the interaction between supports and the surrounding rocks 分重量将加于支架上,支架在“给定载荷”方式下工作.若不规则垮落带顶板与规则垮落带顶板未离层, 而规则垮落带顶板又可能发生较大的挠曲下沉,这时支架可能在“给定变形”或“限定载荷”方式下工 作.现假设有两种情况,第一种为顶煤的残余强度高于支架的额定支护强度;第二种为顶煤的残余强度 小于支架的额定支护强度.前一种情况,顶煤能有效地把顶板位移传递给支架,支架阻力随顶板下沉而 增加,在此过程中支架在“给定变形”方式下工作,给定变形的大小不是由支架的额定支护强度决定, 而是由规则垮落带顶板的挠曲变形量决定.后一种情 况,随顶板下沉顶煤内应力不断增加,当超过顶煤的 残余强度时,顶煤发生强度破坏,并产生“扩容” 、 “让压”运动,支架阻力递增梯度随顶板下沉而减小, 甚至出现负值,即支架阻力随顶板下沉而减小,此时 支架在“限定载荷”方式下工作,限定载荷值并不决 定于支架的额定支护强度,而决定于顶煤的残余强 度. 放顶煤液压支架的上述3种工作方式,可用图5 所示的支架-围岩相互作用弹簧-滑块力学模型模 拟.该模型把顶板、顶煤、支架和底板视为一个系统 来研究,整个系统由顶板M , Q支撑物C , D、 顶煤子系统、液压支架子系统和底板5部分组成.M 模拟支架上方规则垮落带顶板作用在不规则垮落带顶 241煤 炭 学 报 1998年第23卷 板上的载荷,其最大下沉量由C , D二支撑物的位置Δm决定, Q模拟支架上方不规则垮落带顶板作用 在顶煤上的载荷;顶煤由N个弹簧-滑块-刚性加载块G串联的单元相并联组成,刚性加载块G模拟 支架上方顶煤的部分重量;支架由N个弹簧-塑性元件串联的单元相并联而成.各元件的力学特性同 前. 在图5中,当M下沉Δm与C , D接触,而Q继续下沉并与M离层时,即是模拟支架在“给定载 荷”方式下的支护系统. Q的下沉量取决于本身载荷的大小和支架子系统中弹塑的刚度. 在图5中,若满足条件 1塑性元件的位移阻力与滑块单元的当前摩擦力等于各自系统中对应弹 塑元件的极限阻力; 2顶煤子系统中弹塑元件的极限阻力大于支架子系统中对应弹塑元件的极限阻 力; 3载荷WQWM大于支架子系统中塑性组合体的极限阻力,则可能有两种情况发生一种是弹 簧刚度比较小, M下移Δm后弹簧未达到极限阻力,这种情况下弹簧的压缩量并不决定于本身的刚度 和载荷WQWM,而是由阻止M运动的C , D二支撑物的位置决定,弹簧的反力与载荷WQWM无 关,而与Δm和本身的刚度成比例;另一种情况是弹簧刚度比较大,使其压缩量远小于Δm时就已达 到极限阻力,这时塑性元件产生位移,支架子系统中弹簧反力保持在极限阻力,此即模拟支架安全阀开 启时的工作状态.以上两种情况可与支架的“给定变形”工作方式相比拟. 在以上条件中,如果条件1不变,其它两个条件分别改为2顶煤子系统中弹簧元件的极限 阻力小于支架子系统中对应弹簧元件的极限阻力; 3载荷WQWM大于顶煤子系统中弹簧组合体的 极限阻力.在满足这3个条件的前题下,当M下沉时,顶煤子系统中弹簧组合体首先达到极限阻力, 滑块组合体相继发生位移,摩擦力随之降低,顶煤和支架子系统中弹簧反力也随之降低,最后支架子系 统中弹簧的反力由滑块组合体位移停止时的摩擦力和刚体载荷块G的重量决定.这一过程与支架的 “限定载荷”工作方式类似.需要指出的是,滑块组合体位移时,由于摩擦力减小弹簧出现“回弹”,放 煤时常观测到支架后柱阻力降低的现象,实际上同时发生了立柱回弹.图5中未考虑支架掩护梁上散体 煤矸的作用. 4 顶煤的应变软化特性限定载荷作用在估算放顶煤液压支架载荷时的应用 放顶煤开采控顶区内顶煤已发生强度破坏,其强度接近残余强度.若顶煤的残余强度比较小,顶煤 具有“限定载荷”的作用,即顶煤的承载能力若小于支架的额定支护强度,则顶煤将起到类似于支架安 全阀的作用,而且顶煤“安全阀”将超前支架安全阀动作.如果放顶煤液压支架的额定支护强度远大于 顶煤的承载能力,将造成支架阻力利用率降低和不必要的钢材损失.因此,在顶煤强度较低时,估算放 顶煤液压支架的载荷应以顶煤的“残余强度”为准则. 从图5可以看出,支架顶梁承担两部分载荷一部分为控顶区顶煤的重量;另一部分为顶板通过顶 煤传递给支架的压力.顶煤的重量是支架必须承担的,顶板传递给支架的压力由顶煤的承载能力限定. 因此,当顶煤较松软时,放顶煤液压支架的载荷可由式1估算,即 qzρ1δ1 qd,1 式中,qz为支架的顶梁载荷, kN/ m2;ρ1为顶煤的密度,取ρ1 1 400 kg/ m3;δ1为顶煤的厚度, m; qd为控顶区顶煤的承载能力, kN/ m2. 当顶煤的残余强度很低时,顶煤“塑性垫层”有“吸收”和“缓解”顶板来压的作用,因此在式 1中未考虑顶板对支架的动压作用.用式1估算放顶煤液压支架的载荷首先必须知道控顶区顶煤 的承载能力或残余强度,控顶区内顶煤一般为二向受力,受力工况比较复杂,顶煤的残余强度难以确 定.为了使问题简化,现假设控顶区内顶煤处于单向受力状态,顶煤的承载能力近似取其单向抗压残余 强度.如果煤体的单向抗压强度取其试块强度的1/ 6[2],煤体的残余强度取其峰值强度的1/ 5 ,则煤体 341第2期 康立军综放开采顶煤应变软化特性对支架载荷限定作用的研究 的单向抗压残余强度为σc/ 30 σc为顶煤试块的单向抗压强度 . 对于松软顶煤来讲,其普氏系数f≤ 1 ,顶煤的单向抗压残余强度σd≤333 kN/ m3.若qd ≈σ d,则由公式 1估算的放顶煤液压支架的载 荷当δ1 3 , 5 , 7 , 9 , 11 m时,qz 375 , 403 , 431 , 459 , 487 kN/ m2. 5 结 论 1综放开采顶煤既要视为支架的控制对象,又要作为支架与围岩相互作用系统中“支架”的组成 部分,其力学特性决定了放顶煤液压支架的工作特性. 2综放开采顶煤具有应变软化特性,支架上方顶煤的强度低于峰值强度,接近其残余强度. 3垮落带与裂隙带顶板的接触条件、顶煤的残余强度和支架安全阀开启压力是影响放顶煤液压支 架工作方式的3个主要因素. 4放顶煤液压支架主要有3种工作方式,即“给定载荷” 、“给定变形”和“限定载荷”.其中 “限定载荷”是放顶煤液压支架所特有的工作方式,也是3种主要工作方式中占比例最大的. 参 考 文 献 1 康立军.缓倾斜特厚煤层放顶煤开采顶煤破坏机理和支架与围岩作用关系研究[学位论文].北京煤炭科学研究 总院, 1990 2 李先炜.岩体力学性质.北京煤炭工业出版社, 1990 作者简介 康立军,男,硕士,高级工程师. 1983年毕业于阜新矿业学院,现任煤炭科学研究总院北京开采研究所采矿室主 任,先后获煤炭工业部科技进步2 , 3等奖5项.发表“综放开采支架与围岩作用关系及顶煤破碎机理研究”等论文20 余篇;参加编写论著3部.北京市和平里煤炭科学研究总院北京开采研究所,邮政编码 100013. LIMITING EFFECT OF STRAIN- SOFTENING CHARACTER OF THE TOP COAL ON LOADS RTED ON THE POWERED SUPPORTS IN A FULLY MECHANIZED SUB- LEVEL CAVING FACE Kang Lijun Beijing Research Institute of Coal Mining , China Coal Research Institute Abstract Based on in2situ measurement , laboratory simulation testsof model built with equivalent mate2 rials and analysis of mechanics , the stressing character of top coal and three operational modes of the powered supports in sub2level caving were described. A mechanical model of“spring and slide block”, illustrating the interaction between supports and the surrounding rocks , was established. It was hold that three main factors that influence operation of powered supports are the contacting conditionsof roof in the caved zone and the fis2 sured cracking zone , the residual strength of top coal and the opening pressure of safety valve in the support. Keywords sub2level caving , top coal , strain2softening , powered support , limiting load 441煤 炭 学 报 1998年第23卷