坚硬厚顶板稳定性分析

坚硬厚顶板稳定性分析

在文献中，长梁结构的初始和周期破裂步长的理论公式公式为宽梯度和宽度大于4。然而，对于具有相同长度和宽度的深梁结构，理论回答存在一些误差。鉴于岩石抗拉、抗剪强度相比其抗压强度一般较小,而顶板岩层结构破断特征主要表现为拉断或剪断2种情形,为弄清坚硬厚顶板的运动破断特征,保证工作面正常生产,以石屹台煤矿房柱采空区下采煤生产实际为背景,对不同支撑边界条件下的坚硬厚顶板破断特征进行分析探讨,为工作面顶板初次、周期来压预报、预测及工作面高效生产提供理论依据与安全保障。1煤房开采含煤煤层特征乌兰煤炭有限公司石圪台煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗布尔台乡境内,东西长约2.2km,南北宽约1~1.5km,面积为2.78km2。矿区内含煤7~19层,中上部煤层发育较好,厚度较大;下部煤层连续性差,煤层较薄。煤层总厚度13.32~19.18m,平均16.88m,其中可采煤层8层,可采总厚度13.07~18.21m,平均15.28m,含煤系数8.02%~10.98%,平均10.23%,可采含煤系数为7.89%~11.65%,平均为9.26%。石屹台煤矿主采煤层为3-1-1,3-1-2,特征为:3-1-1煤层:全区可采,煤层赋存稳定,厚度变化不大,厚度范围1.97~3.05m,平均2.72m,与3-1-2煤层间距0.20~13.41m,平均12.78m,结构简单,不含夹矸,煤层顶板岩性多为泥岩和砂质泥岩,底板岩性以砂质泥岩为主,局部为砂岩。煤层采用房柱式开采方法,煤房及留设煤柱尺寸均为6m,后期尺寸改变后煤房尺寸6m,煤柱尺寸2.5m。3-1-2煤层:全区可采,煤层厚度稳定、连续性较好。煤层厚度2.22~3.48m,平均2.95m,煤层结构简单,不含夹矸,顶板岩性以砂质泥岩为主,局部为砂岩。该煤层在上煤层房柱采空区下采用综合机械化壁式开采方法。其物理力学参数见表1。初次来压前,将3-1-2煤层顶板重量连同上煤层留设煤柱自重等效均载之和作为判定第1关键层的外部载荷。考虑到房柱尺寸相等时,煤柱等效均匀载荷为煤柱重量的1/4,此时对煤层承载关键层判定如下。下煤层顶板连同煤柱载荷为:考虑上煤层顶板连同煤柱载荷对下煤层顶板作用:由此判定3-1-1煤层顶板即为承载关键层。在下煤层顶板初次断裂后,随着工作面的推进,顶板岩层发生周期性垮断,采空区范围内上煤层煤柱逐渐失稳,上煤层顶板遂失去煤柱支撑作用。当下煤层推进一定距离后,上煤层坚硬较厚顶板开始初次垮断。2深梁结构破断过程中顶板受力特征模型考虑到顶板岩层坚硬较厚条件下,顶板受力特征区别于一般长梁结构,且顶板初次断裂位置承受相邻岩块的挤压作用,遂建立一般深梁结构破断过程中顶板受力特征模型,如图1所示。2.1在固结条件下，上部屋顶的特点是首次破碎2.1.1屋顶的应力分布根据固支边界条件求解梁内应力分量的表达式为:式中q为顶板承受的上覆岩层载荷,石屹台煤矿3-1-1煤层顶板承受载荷值为1.32MPa。2.1.2固支条件下顶板安全跨距ls考虑到一般长梁结构的断裂危险点处于梁长度尺寸的中间靠下边界位置,对比长梁与深梁结构受力特点及误差分析范围,可以根据一般长梁最易破断位置应力特点,对深梁结构断裂危险点及极限跨度尺寸进行初步判断,然后对所得结论进行修正分析,最终得到深梁结构初次破断特征。由对称性可知,梁的中间下边界位置剪应力为零,梁截面(0,h/2)处的水平拉应力分量即为该位置的最大主应力б1,由此得到深梁结构相应位置处的拉应力为:式中:l为煤层顶板跨度的1/2;h为顶板岩层厚度,这里h=14.5m。根据材料的最大拉应力强度理论可知,顶板不发生断裂的安全跨度满足下式:式中[бt]顶板岩层的抗拉强度极限。由此得到煤层顶板的跨度尺寸L1需满足:式中L1为初步判断得到的顶板最大跨度尺寸。考虑岩层的非均质及脆性断裂等特性,这里取岩层趋于断裂时的安全系数n,于是得到固支条件下顶板的安全跨距为:式中L1s为初步判断得到顶板最大安全跨度尺寸。鉴于石屹台煤矿顶板坚硬且厚度较大,岩层结构相对完整,这里安全系数n=3,此时初步判断顶板安全极限跨距为:当顶板岩层初次垮断步距取为23.0m时,顶板岩层深梁结构内最大主应力分布如图2a所示。由图可见,在顶板跨度23.0m条件下,顶梁中间下边界位置拉应力最大,其值达到3.5MPa左右,考虑到顶板岩层抗拉强度极限只有3.27MPa,故梁的安全极限跨度选取稍偏大,修正顶梁跨度尺寸为22.0m时,得到该条件下的顶板最大主应力分布如图2b。在顶板跨度尺寸为22.0m条件下,顶板中间下边界应力将达到岩层抗拉强度极限。由此可知,在顶板固支条件下,据最大拉应力强度准则最终得到顶板深梁结构的安全跨距Ls满足Ls≤22.0m。同时由图2b的顶板最大主应力分布特征可以看出,在最大拉应力强度准则判据条件下,坚硬厚顶板的破断危险点位于深梁结构的中间下边界位置。2.1.3固支条件下顶板极限安全跨距考虑到长梁最大剪应力可能位置一般位于梁中间下边界或固定端截面中心处,由此得到深梁相应位置的剪应力为:式中:|τmax|为深梁相应位置处的最大剪应力,考虑到剪应力符号的正负,这里取其绝对值。根据材料的最大剪应力强度准则,可知深梁不发生断裂的极限跨度尺寸需满足条件:由于岩石抗剪强度一般约为抗拉强度的1/12(25)1/8,因此初步判断深梁固支条件下的极限安全跨距可能取值为:式中:L1s,L2s分别为根据深梁危险破断位置应力特征,初步判断得到的顶板极限安全跨度尺寸。采用类似的方法,对最大剪应力强度理论条件下初步判断得到的安全跨距进行修正,通过数值计算分析,得到顶板最大剪应力分布形式如图3所示。由图3可看出,固支条件下顶板跨度达到32.0m时,最大剪应力主要集中于顶板中下部区域A,在顶板中间下边界位置处剪应力值达到最大,约3.3MPa左右,其值较为接近顶板岩层的抗剪强度极限,故顶板固支条件下的剪切破断极限安全跨距Ls满足关系Ls≤32.0m。区别于固支条件下的拉断情形,顶板剪切破断时岩层中上部区域B有剪应力集中,且在顶板中间上边界位置处达到最大,约2.6MPa,故顶板固支剪断条件下,岩层中间上边界点亦为岩层破断的危险位置。由于顶板结构及承载的对称性可知,岩层中间下(上)边界点只有水平拉(压)应力的作用,为该位置的最大主应力,因此可以判断该位置处断裂面与水平方向大致成45°。2.2顶板层压计算类似于固支条件下深梁破断特征的讨论,简支条件下深梁应力分量表达式为:简支拉断条件下顶板极限安全跨距初步判断修正顶板极限安全跨距为13.0m时,计算得到顶板岩层最大主应力分布如图4a所示。由图4a可看出,顶板简支拉断条件下,顶板破断的危险位置仍处于深梁结构的中间下边界位置。同样分析得到简支剪断情形下,坚硬厚顶板的极限安全跨距初步判断为:修正顶板极限安全跨距为20.0m时,计算得到顶板岩层最大剪应力分布如图4b所示。与固支剪断情形相似,简支剪断条件下顶板最大剪应力主要分布在深梁中间靠近下边界的区域A和B,最易破断位置位于顶板中间下边界点处。3阿盘结构特征的垮断特征3.1梁块压力—顶板承载及应力分布顶板岩层初次垮断后,随着下部煤层工作面的推进,上煤层顶板周期性垮落。由于顶板岩层岩性较硬、厚度较大,顶板悬露尺寸一般较大;顶板一端连续,另一端承受相邻块体的挤压及支撑作用,形成区别于一般悬梁的“半砌体结构”型悬梁。为分析坚硬较厚顶板的最大悬露长度尺寸,依据圣维南原理,这里将半砌体结构型悬梁极限垮断位置处的应力效果代以集中力作用,如图5所示。块体左端为悬露顶板极限垮断位置处,承受与应力分布效果等效的水平及竖直方向合力Td,TF;右端承受相邻块体或垮落矸石的挤压、支撑及摩擦作用,水平及竖直方向合力T,Tf。考虑到岩石挤压塑性变形,水平力作用点位于岩石挤压塑性变形尺寸a的中间位置,其值为:式中:l为块体断裂极限长度尺寸;α为块体回转变形角度。水平及竖直方向的平衡条件为:A点位置处的力矩平衡条件为:式中:w为块体右端咬合点位置处位移下沉量,其值为w(28)lsinα。由此解得块体右端水平挤压力:式中:qd为等效载荷,其值为(7)(ql2-2Tfl)/l2。令块体间的挤压应力бp为:岩块间挤压强度бp与岩石抗压强度[бc]的比值为K,抗压强度[бc]与抗拉强度[бt]比值为i,从而得到:式中:K是与梁支撑条件相关的系数。综上分析,得到块体两端合力表达式分别为:依据圣维南原理,结合块体两端合力边界条件及岩梁应力表达式(1),得到极限悬露顶板内的应力3.2顶板地层最大应力据长梁结构一般结论,悬臂深梁不沿易断裂位置(0,-h/2)拉断的条件为:由此得到顶板悬梁结构支撑系数需满足的关系K≥0.76,故初步判断结构型悬梁安全跨距尺寸l1s需满足关系:结构型悬梁安全跨距修正取值为6.0m时,计算得到顶板岩层最大主应力分布如图6a所示。由图6a可看以出,顶板悬臂拉断条件下,梁内最大主应力集中于顶板左端靠近上边界区域,而顶板破断危险点位于深梁结构垮断极限位置的上边界。3.3顶板层径面最大剪应力类似分析得到悬梁不沿易破断位置(7)0,0(8)剪断的条件为:由此初步判断结构型悬梁极限安全跨距尺寸l1s需满足:结构型悬梁剪断条件下,安全跨距尺寸修正取值9.8m时,计算分析得到顶板岩层最大剪应力分布如图6b所示。由图可知,顶板悬臂拉断条件下,梁内最大剪应力集中于顶板左端靠近下边界区域,顶板破断危险点位于深梁结构垮断极限位置的下边界。4顶板核心层初次塌断见表13-1-2煤层工作面中部初次矿压显现特征如图7所示。由图7可看出,随着工作面的推进,3-1-2煤层直接顶周期垮断,周期来压步距约3.2~8.0m。当工作面推进约34.4~36.0m左右,工作面中部来压强度明显增大,支架工作阻力达到7000~7600kN,此后又趋于平缓。由此可判定3-1-1煤层顶板关键层初次垮断。图8为3-1-1煤层房柱尺寸均为6m生产条件下,3-1-2煤层工作面中部矿压显现规律。由图8可以看出,每间隔约9.6~10.4m左右,工作面中部的来压强度开始大,支架工作阻力达到7200~7600kN,煤壁片帮严重,给工作面正常生产带来严重影响。调整上部煤层房柱尺寸后,下煤层工作面中部来压规律如图9所示。上部煤层房柱尺寸分别为6m,2.5m时,下煤层工作面中部来压步距在9.6~10.8m,平均9.8m。来压期间支架平均阻力在6800kN左右,最高达到7500kN。5结构极限安全跨距1)运用组合梁理论判定石屹台煤矿3-1-1煤层顶板为上覆岩层载荷的主要承载关键层。2)给出深梁结构固支、简支及悬臂支撑条件下,坚硬厚顶板深梁结构应力分量表达式。3)依据长梁结构易破断危险点,初步判断不同支撑条件下坚硬厚顶