保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第32卷第6期煤 炭 学 报Vol . 32 No. 6 2007年6月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJune 2007 文章编号 0253 - 9993 2007 06 - 0561 - 04 保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析 缪协兴,陈荣华,白海波 中国矿业大学 理学院,江苏 徐州 221008 摘 要提出了在控制采场顶底板水运移中隔水关键层的概念,建立了复合隔水关键层的基本力 学模型,进而对具有5层岩层组成的复合隔水关键层进行了相关的强度和刚度分析,给出了不同 组合的阻隔水能力判定.从岩层运动与水体运移的视角提出了保水开采的矿压控制思路,为开发 水资源保护性的煤矿绿色开采技术提供了相关的技术途径. 关键词保水开采;隔水关键层;绿色开采 中图分类号TD322 文献标识码 A 收稿日期 2006-04-03 责任编辑柴海涛 基金项目国家自然科学基金重大资助项目50490273 ;国家自然科学基金重点资助项目50634050 ;国家自然科学基金资助项目 50574090 ;教育部科技研究重大资助项目 105024 作者简介缪协兴1959 - ,男,江苏江阴人,教授,博士生导师.Tel 0516 - 83885205, E - mail xxmiaocumt1edu1cn Fundamental concepts and mechan ical analysis of water2resisting key strata in water2preserved m in ing M I AO Xie2xing, CHEN Rong2hua, BA IHai2bo College of Sciences,China University of M ining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract The concept of the water2resisting key strata was proposed in controlling the roof and floor watermove2 ment in working face, and the mechanicsmodel of the water2resisting compound key strata was established to ana2 lyze the strength and stiffness of the water2resisting compound key strata, which was composed of five rock seams . A sufficient condition was obtained for the water resistance capability of different rock seams combinations .The ground control thought of the water2preserved miningwas brought for ward from the visual angle of rock strata motion and water movement, which provides an effective technique approach to develop the green mining technology, which is benefit to the water resource protection. Key words water2preserved mining; water2resisting key strata; green mining 随着人们对环境保护意识的加强,越来越强调发展与环境相协调的煤炭开采技术,即开发绿色采矿技 术 [1, 2 ]. 对水资源的保护性开采技术,是绿色采矿技术的核心内容之一.将重点介绍保水开采中的隔水关 键层的基本概念及相应的力学分析. 岩层控制的关键层理论 [3～5 ]中提到的 “ 关键层 ”是指采动岩体运动中起主要承载作用的结构关键层 , 并控制采动岩体破断后的结构形态.这里定义的保水开采中的隔水关键层为假设煤层上部含水层在结构 关键层的上方,或煤层下部含水层在结构关键层的下方,如果结构关键层采动后不破断,则结构关键层可 起到隔水作用,同时就是隔水关键层;如果结构关键层采动后会发生破断,但破断裂隙被软弱岩层所充 填,不形成渗流突水通道 [6 ] ,则结构关键层与软弱岩层组合形成复合隔水关键层.因此,隔水关键层多为 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2007年第32卷 复合岩层所组成,限于文章篇幅,本文仅分析隔水关键层的强度特征. 1 复合隔水关键层的力学模型 以采场覆岩中的复合隔水关键层为例,无论由 几层岩层所组成,则其下层一定为较坚硬的岩层.为 了对复合隔水关键层强度分析有一定的代表性,这 里以5层岩层组成的复合隔水关键层为例,建立其 力学模型,并展开相关的强度分析. 5层岩层组成的复合隔水关键层力学模型如图1 所示.为便于力学分析,这里对其进行如下简化① 将其力学模型视为平面应变问题;②模型中将岩性 不同的岩层分为坚硬岩层与软弱岩层.假设各坚硬岩 层的岩性和几何参数相同弹性模量均为Ey,泊松 比为ν y,所有岩层厚度均为h;各软弱岩层的岩性和 几何参数相同,弹性模量为Er,泊松比为 νr,厚度 为h;③覆岩压力及水压对隔水关键层的作用为均 布载荷,集度为q;④两端为固支.这样就简化为上 表面受均布载荷作用的两端固支梁,其力学模型如 图2所示.图2中跨度取工作面推进距l,横截面高 度取5h,宽度取单位长度.考虑到最下层为硬岩层,则可能有6种不同横截面组合表1. 265 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期缪协兴等保水开采隔水关键层的基本概念及力学分析 2 复合隔水关键层的力学分析 该梁的剪力和弯矩如图3所示.由图3可知,梁的两端截 面和中间截面均有可能产生最大拉、压应力,中间截面处剪 力为0. 211 复合隔水关键层横截面上的应力分析 为分析复合隔水关键层两端固支梁横截面上的弯曲正应 力,假设梁各层之间变形是连续的,并且满足经典梁理论中 的平面假设.取图2中所示坐标系,其中z轴为中性轴,其位 置随截面组合而变化,ak为组合k中性轴到下表面的距离.设第k种组合复合梁中性层的曲率半径为 ρk, 第i层截面内的正应力为 σ k i E k iy /ρk i 1～5, k 1～6 . 1 梁横截面上作用的轴力为N,弯矩为M,由静力学平衡方程得 ∑ 5 i 1∫ ak-5hih ak-6hih E k iy ρ k ydy M, ∑ 5 i 1∫ ak-5hih ak-6hih E k iy ρ k dy N.2 5层岩层的截面惯性矩为I k i ∫ ak-5hih ak-6hih y 2 dy.每个岩层的截面惯性矩随中性轴位置变化,将其代入式 2 , 得 1 ρ k ∑ 5 i 1 E k iI k i M.则复合关键层的曲率半径为 ρ k 1 M ∑ 5 i 1 E k iI k i. 3 将式3代入式 1 , 得横截面自上而下各层的正应力计算公式为 σ k i M E k iy ∑ 5 i 1 E k iI k i i 1～5 . 4 由式4可见,横截面上最大拉、压应力随不同截面组合变化而变化. 6种不同截面组合复合隔水关键层中性层位置不同,正应力沿截面高度变化不连续.为分析比较直观 起见,取模型h3 m,l80 m,Ey50 GPa,Er5 GPa,q1 MPa.代入式 4 , 经计算得到6种不 同组合两端横截面正应力分布,最大拉、压应力;中间截面最大拉、压应力,结果见表1. 212 复合隔水关键层的变形 隔水关键层简化为平面应变梁,假设其在外载荷作用下的变形与某一单层梁等效,等效单层梁弹性模 量为E k e,厚度为h k e5h,则等效单层梁截面惯性矩为 I k e h k3 e /12125h 3 /12.令两者的刚度相等,有 E k eI k e ∑ 5 i 1 E k iI k i.由此求得等效弹性模量为E k e 1 I k e ∑ 5 i 1 E k iI k i.如图2所示坐标系,复合梁挠曲线微分方程为 E k eI k e d 4 y dx 4 q.其通解为y q E k eI k e 1 24x 4 1 6 C1x 3 1 2 C2x 2 C3x C4.考虑两端固支梁的边界条件,有 C1 - l/2, C2 l 2 /12, C3 C40,从而隔水关键层的挠曲线为 y q E k eI k e 1 24x 4 - l 12x 3 l 2 24x 2 .5 该梁最大挠度值在梁的中点处,即xl/2处.将前面计算正应力的有关数值代入式5 ,计算得到 6种组合梁最大挠度分别为y k max k 1～6 , 见表1. 3 结 论 1 6种组合梁同一横截面上的最大拉应力与最大压应力相差不大. 在所有组合中,组合4中岩层1 365 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2007年第32卷 软岩和岩层 2 硬岩最易发生破断.组合3最不易发生破断.因此,单从强度考虑,组合3隔水性能 最好,组合4隔水性能最差,其余4种隔水性能按5, 6, 2, 1依次降低.但考虑岩层破断后若形成稳定 的结构,破碎的弱岩层可能充填破断裂隙,仍然起隔断渗流通道的作用,那么复合隔水关键层隔水性能就 需作进一步的渗流分析. 2组合2和3的截面抗弯刚度最大并且相等,从而它们的挠度相等并且最小.两者的正应力分布恰 好相反. 3组合6的挠度最大,其最大挠度值约为组合2和组合3最小挠度值的2倍. 4组合1同一截面上的最大拉应力等于最大压应力.其余5种组合两端截面的最大拉应力等于跨中 截面最大压应力的2倍;而两端截面的最大压应力等于跨中截面最大拉应力的2倍. 参考文献 [1] 钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J ].中国矿业大学学报, 2003, 32 4 343～347. [ 2] Xu Jialin, ZhuWeibin, LaiWenqi, et al . Greenmining techniques in the coalminesof China [J ]. JournalofMines, Metals and Fuels, 2004, 52 12 395～398, 409. [3] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M ].徐州中国矿业大学出版社, 2003. [4] 缪协兴,钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进展[J ].中国矿业大学学报, 2000, 29 1 25～29. [5] 茅献彪,缪协兴,钱鸣高.采动岩体中关键层的破断规律研究[J ].中国矿业大学学报, 1998, 27 1 39～42. [6] 缪协兴,刘卫群,陈占清.采动岩体渗流理论[M ].北京科学出版社, 2004. 新疆将建成我国特大型煤电煤化工基地 近日从新疆维吾尔自治区经贸委获悉,一批国内大型煤炭企业集团如神华、鲁能、新汶、徐矿等纷纷 进疆开发煤炭资源,规划投资超过千亿元,建设煤电一体化、煤化工基地.新疆建设特大型煤电煤化工基 地的条件已日趋成熟.据新疆维吾尔自治区经贸委信息,新疆远离内地省区,大量原煤不可能通过铁路和 公路运输到内地市场,但新疆煤炭主要成煤时期为侏罗纪,普遍具有低灰、低硫、高热值等特点,适宜发 展煤电煤化工产业.此外,新疆拥有煤电煤化工发展所需的淡水资源和大量的戈壁荒滩土地资源,以及广 阔的环境容量空间,建设特大型煤电煤化工基地具有得天独厚的优势. 到2010年,新疆力争年生产原煤1亿t以上,煤炭深加工和转化创造的工业总产值超过400亿元. 据自治区经贸委介绍,新疆煤炭资源集中联片的地区有准噶尔盆地、吐哈盆地、伊犁河谷和塔里木盆 地北缘等四大区域,仅准噶尔盆地东部简称准东煤田预测资源量就超过3 900亿t .“ 十一五 ”期间, 新疆将重点在准东、伊犁、库车、拜城等地发展煤化工产业;在准东、伊犁河谷重点发展煤制油、煤制烯 烃等产业;在库车、拜城重点发展煤焦化产业;在哈密伊吾县、克拉玛依市等地适度发展一定规模的煤化 工产业. 自治区煤炭预测储量为1182～2119万亿t,占全国总预测储量的4015 ,居全国首位. 摘自 “ 中国煤炭网 ” 465