采场顶板稳定性定量分析及分类研究.pdf

第15卷 第1期山 西 矿 业 学 院 学 报Vol115 No11 1997年3月SHANX IM I N I N G I N ST ITU TE L EARN ED JOURNALM ar.1997 采场顶板稳定性定量分析及分类研究 杨双锁 ① 靳钟铭 梁 采矿与土木工程系 采矿工艺研究所 山西省煤炭职工培训中心 摘 要 根据正交分析原理,运用有限单元法,从受力和位移两个方面计算分 析了强度、分层厚度、埋藏深度等主要因素对采场顶板稳定性的影响规律,提出了 采场顶板的稳定性量化指标及分类方案。 关键词 正交分析;采场顶板;稳定性;分类 中图分类号 TD323;T32513 1 引言 采场顶板岩层的控制是矿压理论研究的主要目的之一,掌握顶板岩层的稳定性规律是顶 板控制的前提。长期的生产实践及理论研究表明,地下煤体被开挖以后,工作面顶板随着二 次应力状态的形成及变化,会发生弯曲、下沉、离层、断裂乃至垮落等变形和破坏现象。若 发生过大变形甚至垮落,则将形成顶板事故,给生产及人员安全带来危害。因此,顶板控制 的任务就是保持顶板的稳定性,防止顶板事故的发生。然而,顶板岩层的稳定性是其完整性、 变形特性、强度及受力状态等的综合反映,其影响因素繁多,影响机理复杂,使顶板岩层具 有结构的不连续性、力学性质的离散性及所受载荷的不确定性等特征。因此,尽管我们在这 一领域已经作了大量工作,在某些方面仍没有取得满意的结果。因此,本文在现场观测及室 内实验的基础上对采场顶板岩层的稳定性规律进行量化分析。 2 采场顶板稳定性的度量指标及影响因素 顶板岩层的稳定性包含两方面的意义一是完整性,即顶板岩层是否因受力太大而发生 破坏或使原有弱面扩张至贯通,从而导致失稳;二是位移状况,即顶板岩层是否因下沉量太 大而难以保证采场生产所需要的最小空间。顶板岩层受采动影响后,其内部的应力状态及强 度性质都会发生变化,当应力状态变化至强度极限时,会使岩层中裂隙扩张或产生新的断裂 面,最终可能会导致顶板的冒落、垮落甚至沿煤壁切落等失稳现象;当顶板下沉量太大时,即 使不失其完整性,也会因为所维护的有效空间太小而无法进行正常生产。所以,顶板稳定性 的衡量应该从受力及位移两方面来考虑。本文以最小应力安全系数和最大单位顶板下沉量作 ①本文第一作者杨双锁,男, 1963年生,硕士,山西矿业学院采矿与土木工程系,讲师, 030024 文稿收到日期1996210204 为顶板岩层稳定性度量指标。 最小应力安全系数指最危险处即煤壁处顶板的强度值与弹塑性应力计算值之比。以 莫尔强度理论为依据并考虑到顶板岩层可能发生的压缩和沿煤壁切落两种破坏方式,其计算 公式为 Ξ 1 2 R c 1 sin5 1 -sin5 Ρ3 Α1CΡxtg5 Σxy.1 式中R c顶板岩石的单轴抗压强度; 5 内摩擦角; Ρ3最小主应力计算值; Ρ1最大主应力计算值; C内聚力; Ρx层理方向正应力计算值; Σxy垂直于层理的剪应力。 最大单位顶板下沉量指采场控顶区内的最大顶板下沉量即采空区边缘处的顶板下沉量计 算值与采高和控顶距乘积之比,即 ∃ Smax mL .2 式中Smax最大单位顶板下沉量; m采高; L控顶距。 根据固体力学的基本理论,材料的强度由其组成成分、组构特征以及所处的受力大小和 应力状态所决定,材料所产生的位移由其变形性质、约束条件及应力状态等所决定。由此可 知,影响最小应力安全系数 Ξ和最大单位顶板下沉量 ∃ 的主要因素有弹性模量E、泊松比 Λ 、 内聚力C、内摩擦角 5、分层厚度h、裂隙发育程度以及采深等,其中裂隙的影响通过其与强 度的关系来反映[1],即 R cR o-ΑK.3 式中R c顶板岩层的单轴抗压强度; R o与顶板岩层岩性相同的完整岩块的单轴抗压强度; Α 比例系数; K裂隙发育指数。 3 数值计算结果分析 根据以上讨论并运用正交分析法的基本原理,可将顶板岩层稳定性问题确定为六因素、 双 指标的试验问题。采用四节点等参单元的有限元方法进行计算,其方案及结果,如表1所示。 根据库仑莫尔强度理论 R c 2Cıcos5 1 -sin5 .4 将表1中每次计算中的内聚力C和内摩擦角5 换算成顶板岩层的单轴抗压强度R c,并进 行多元回归分析得 82山 西 矿 业 学 院 学 报 第15卷 表2 顶板稳定性评分标准 Ξ值 Ξ分值ZΞ 011 10 013 30 015 50 017 70 019 90 111 110 113 130 ∃ 值 ∃ 分值Z∃ 1 - 2 5 - 10 10 - 20 20 - 40 30 - 60 40 - 80 50 - 100 表1 有限元计算方案及结果 计算 序号 弹性模量 EGPa 泊松比 Λ 内聚力 C 内摩擦角 5 采深 Hm 分层厚度 hm 最小应力安全 系数 Ξ 最大单位顶板 下沉量 ∃mm 01501202301000120017147197 025012543520001400195014120 035013064040001601126226124 045013584560001801172230148 0550140105080011002137532107 0610012044060011000195119117 0710012564580001201137948152 081001308501000140210425120 0910013510302000160110908148 1010014023540001801121313157 112001206502000180112395171 122001258304001100112797169 13200130103560001201118833171 1420013524080001401114434133 152001404451000160112072183 1640012083580001601159822100 1740012510401000180111692115 184001302452001100111863128 1940013545040001201122418183 2040014063060001400182119129 21600120104540001401137112172 2260012525060001601129613191 2360013043080001800165214131 246001356351001100110041141 256001408402000120111318160 Ξ 01441 -41510- 3E 01714Λ 118410- 2R c 217610- 4H 01187h.5 ∃ 91725 -16116E 101331Λ 01106 6R c 3154410- 2H-171682h.6 以上两式的相关系数分别为01771、01921.各因素与 Ξ、∃ 均成线性关系。 为了找出各因素对顶板稳定性影响的综合效应,并对其进行准确的定量描述,本文采用 稳定性综合评分的办法进行分析。评分 标准如表2所示,分值Z随 Ξ、 ∃ 均成比 例变化,即 ZΞ 100Ξ.7 Z∃ -2∃.8 根据评分标准并利用56两式可得各因素与ZΞ、Z∃的关系为 ZΞ 4411 -0145E 7114Λ 1184R c 217610- 2H 1817h.9 Z∃ -19145 01323E-201662Λ -7108810- 2H 351364h-01213R c.10 两式相加即得各因素对顶板稳定性总分值的影响规律 ZZΞZ∃. 24165 -01126 8E 501738Λ 11627R c-4132810- 2H 541064h.11 92第1期 杨双锁等采场顶板稳定性定量分析及分类研究 表3 各因素及其对应的Z值极差表 因 素EGPaΛR cM PaHmhm 取值范围5～60012～01510～100100～1 000 012～112 Z值极差- 715146- 3954 权重 ◊21685175551941419420169 主次排序54132 从式中可以看出,顶板岩层的弹性模量E、采深H与顶板稳定性总分值Z成线性反变关 系,泊松比 Λ 、单轴抗压强度R c、顶板分层厚度h与Z成线性正变关系。各因素引起的分值 极差如表3所示,其中负号表示随 着因素取值的增大,分值Z减小, 顶板稳定性程度降低。 从表3中可以看出,岩层强度 为顶板稳定性最主要的影响因素, 其它依次为分层厚度、 开采深度、 泊 松比和弹性模量,其中前三个因素 为决定性因素,所占权重高达91157◊,故可将式11近似为 Z 3814 11627R c-4132810- 2H 541064h.12 将3式代入12式即可得到裂隙发育指数与顶板稳定性的关系 Z 3814 11 627 R0-ΑK - 4132810- 2H 541064h.13 根据大量采场顶板的稳定性现场观测结果与实验及计算结果的对比研究,本文以顶板岩 层的最小应力安全系数 Ξ及最大单位顶板下沉量 ∃ 的综合评分值Z为指标,将采场顶板按稳 定性分为五类极不稳定顶板,不稳定顶板,中等稳定顶板,稳定顶板和极稳定顶板如表 4所示。其中 类顶板为伪顶,˝ 类顶板为直接赋存于煤层之上的厚层坚硬顶板。 表4 采场顶板按稳定性分类方案 类 别˚˝ 名称极不稳定顶板不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板极稳定顶板 指标ZZ≤5050Z≤100100Z≤150150 200 4 结论 a1 顶板岩层稳定性的影响因素很多,但以其强度、分层厚度、埋藏深度、泊松比及弹性 模量为主要因素,且前三者可视为决定性因素。随着开采深度的增加,深度对顶板稳定性的 影响会愈加明显。 b1 结合文献[1]的结果分析,由于岩层中的裂隙发育程度与其强度密切相关,因此,也 与顶板稳定性密切相关。 c1 以顶板岩层的稳定性评分值Z作为分类指标制定的采场顶板分类方案是可行的。这种 方案既具有方便、易操作性,又可对顶板进行采前预分类。 参 考 文 献 1 杨双锁,靳钟铭.岩层裂隙分布的分形特征与其强度的相关研究,山西矿业学院学报, 1996, 14 2 119～124 2 钱鸣高.刘听成.矿山压力及其控制.北京煤炭工业出版社, 1991 3 蒋金泉.采场围岩应力与运动.北京煤炭工业出版社, 1993 03山 西 矿 业 学 院 学 报 第15卷 Quantitative analysis and classif ication study on the stability of roof Yang Shuangsuo Jin Zhongm ing D ep t. of M in.Eng . M ining T echnology R esearch D ep t . L iang Fei T raining Centre f or S hanx i CoalW orkers A ccording to the principle of orthogonal analysis and w ith the use of finite ele2 ment , the influences of everymain factor upon the stability of roof has been studied,the quantitative index indicating the stability of roof and the classification for roof has been put forw ard. KEY WORDS ogthogonal analysis;roof;stability;classif ication 上接第19页 Study on the measurement of coal particale gas diffusion and diffusion coeff icient Guo Yongyi, W u Shiyue, Wang Yuem ing S hanx iM ining Institute He Gaowang T raining Centre S hanx i CoalW orkers Abstract The differential equations of coal particle gas diffusion under the third kind boundary condition and its analytical solution have obtained on the basis of theoreti2 cal analysis .It show s that coal particle gas diffusion under the first kind boundary condition and uni gas concentration w ithin coal particles is a special instance or approxi mate process under the third kind boundary condition. W hether coalparticle gas diffusion can be approxi mated to diffusion under the first kind boundary condi2 tion and uni is dependant upon the diffusion coefficient and surfacemass trans2 fer coefficient. The paper introduces the ofmeasurement of these two coeffi2 cients and gives examples of measurement. KEY WORDS gas diffusion through coal particles; absorption balance; diffu- sion coeff icient;surface mass transfer coeff icient; the third kind boundary condition 13第1期 杨双锁等采场顶板稳定性定量分析及分类研究