浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害机理研究.pdf

第 29 卷 第 12 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.29 No.12 2007 年 12 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Dec., 2007 浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害机理研究 杨治林 1，余学义2，郭何明3，郭 文1，谢大平1 （1. 西安科技大学基础课部，陕西 西安 710054；2. 西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；3. 西安科技大学继续教育学院，陕西 西安 710054） 摘 要应用初始后屈曲理论和尖点突变模型探讨了顶板岩层分岔失稳的机理及其屈曲后的不稳定性，得出了采场老 顶初次来压时断裂下沉的计算公式，建立了顶板破断后台阶下沉的判据，给出了台阶下沉量。研究发现，顶板破断后 岩块处于非平衡状态；台阶下沉是由单一岩块逆向回转引起的；台阶下沉与断裂下沉之间存在着确定的关系。研究结 果表明，综合应用初始后屈曲理论和突变理论，可根据浅埋煤层顶板结构的结构特征、岩体材料以及上覆厚松散沙层 等赋存状况确定长壁开采工作面初次来压期间基岩老顶可能出现的灾害形式。 关键词采矿工程；浅埋煤层；基岩老顶；初始后屈曲；台阶下沉；结构稳定性 中图分类号TD823.4 文献标识码A 文章编号1000–4548200712–1763–04 作者简介杨治林1957– ，男，陕西榆林人，教授，主要从事固体力学与结构稳定方面的教学和研究工作。E-mail yangzlyzl。 Study on catastrophe mechanism for roof strata in shallow seam longwall mining YANG Zhi-lin1，YU Xue-yi2，GUO He-ming3，GUO Wen1，XIE Da-ping1 1. Department of Basic Courses, Xian University of Science 2. School of Energy, Xian University of Science 3. School of Continuing Education, Xian University of Science shallow seam; main roof; initial post-buckling; step convergence; structural stability 0 引 言 大多数情况下，采场来压最猛烈、最难控制的是 老顶初次来压。神东矿区开采实践表明，对于基岩比 较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，工作面老 顶初次破断具有明显的切落特征，基岩老顶普遍存在 着台阶下沉现象。初次来压不仅会出现具有强烈矿压 显现的台阶下沉，而且还伴随着涌水和溃沙危害[1]。 通过模拟实验和观测分析，对浅埋煤层初次来压 期间顶板的破断和运动规律， 以及破断后的结构特征， 取得了如下基本认识顶板岩层的破断裂隙通常在煤 壁前方的老顶上部产生，随工作面推进裂隙逐渐向下 扩展，并在煤壁处完全断裂形成贯通裂缝。贯通裂缝 的倾角比较大，呈上开下闭型，是工作面的直接涌水 通道[2-3]；老顶初次来压有一过程，期间顶板结构存在 着运动，如果老顶沿煤壁出现严重的台阶下沉，则可 能引起贯通裂缝张开，形成工作面溃沙的直接通道。 顶板的破断运动使采场矿压显现明显有别于普通工作 面，破断运动直接波及地表[4-5]；老顶结构具有砌体梁 结构关键块的基本特征，但是岩块不易形成自身稳定 的砌体梁结构。老顶破断后的运动主要有断裂下沉、 台阶下沉和回转失稳，其中对工作面安全构成直接威 胁的是由沿煤壁贯通裂缝引起的老顶岩块的台阶 ─────── 基金项目国家自然科学基金资助项目（40572155） 收稿日期2006–12–28 1764 岩 土 工 程 学 报 2007 年 下沉[6]。本文应用初始后屈曲理论和突变理论研究了 基岩老顶分岔失稳的机理及其破断后的平衡稳定性， 根据顶板岩层的赋存状况预测了采场工作面可能出现 的顶板灾害。 1 顶板关键层的初始后屈曲 在对顶板关键层从图 1 所示的基本状态过渡到图 2 所示的破断了的后屈曲状态进行性态分析时，需将 其位能增量泛函中的每一项都视为与载荷因子λ有 关的项。 图 1 浅埋煤层单一关键层力学模型 Fig. 1 Mechanical model for single roof key stratum 图 2 顶板关键层破断后的结构形态 Fig. 2 Structural of broken roof key stratum 对于一级近似，仅在泛函能量的二次变分中考虑 与λ有关的项是充分的[7]。于是位能增量泛函对于任 意位移场，考虑 0m ,w aΠ影响时的屈曲模态w可表示 为关于极限下沉量 am的代数函数[8] m12m4m , ,FaFaw a λλλ λλλΠ ′ − 0m ,w aΠ， 1 式中， 1 λ为临界载荷因子， 2m2 , /Faw λλ Πλλ ′ ∂∂。 式（1）是近似的，但它是分叉点附近能量渐近展开式 中的主要项。由 2m Fa λ′ 的表达式和屈曲模态可得 2 22m 2m π 1 2 k a FaP EI λ ′ −−， 64 m 4m 4 π , 8 a w a l λ Π， 22m 0m ,1 a w al q EI Π −− 。 2 分叉点附近的平衡构形由顶板极限下沉量am的 函数 m , Fa λ λ的驻值所确定， 仅当这些驻值为本征最 小时，平衡构形才是稳定的。为确定顶板的极限下沉 量，由驻值定理 mm , /0Faa λ λ∂∂，可得顶板关键层 断裂下沉幅值方程 3 m1m2 0aD aD 。 3 式中 424 11 2 1 π k DlPPEIλ−−，与临界载荷因子 有关； 626 2 21 πDl qEI−； k P为临界载荷，当P −− 。. 关键层破断后岩块产生逆向回转， 出现台阶下沉。 台阶下沉量 1 2 m1 230.99 maD∆−。 4 结 论 （1） 浅埋煤层条件下老顶为单一关键层结构。 根 据长壁开采的特点，分析中可采用平面应变模型。浅 埋煤层顶板控制的关键区域在工作面中部，用平面模 型简明地刻画顶板结构的主要特征是可行的。 （2）应用初始后屈曲理论和突变理论，可根据 浅埋煤层顶板结构的结构特征、岩体材料以及上覆厚 松散沙层等赋存状况，确定顶板破断后的极限下沉量 及其在非平衡状态下岩块间的水平推力，以判定顶板 结构运动状态的形式，估算台阶下沉量。确定长壁工 作面初次来压期间基岩老顶可能出现的灾害形式。 （3）基岩老顶的破断机理是顶板结构的分岔失 稳，顶板的台阶下沉是由老顶破断后结构的不平衡特 性引起的。通过实例计算老顶初次来压期间采场工作 面的有关灾害，表明研究结果有助于提高顶板灾害预 测预报的准确性。 （4）过去认为浅埋煤层不存在结构效应的观点 是缺乏理论根据和实验依据的。实际上，浅埋煤层顶 板结构正体现了砌体梁结构关键块的基本特征。厚松 散载荷层下单一老顶关键层破断后难以形成自身稳定 的结构，构成了浅埋煤层长壁开采工作面特殊的矿压 显现。 1766 岩 土 工 程 学 报 2007 年 参考文献 [1] 黄庆享. 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M]. 徐州 中国矿业大学出版社, 2000. 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