急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析_邵小平.pdf

第29卷第5期北京科技大学学报Vol.29No.5
2007年5月JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijingMay2007

急斜放顶煤开采顶板卸载拱结构分析

1)1)2)
邵小平石平五贺桂成

1)西安科技大学能源科学与工程学院,西安7100542)南华大学建筑工程与资源环境学院,衡阳421001

摘要运用弹性薄板理论对急斜煤层水平分段放顶煤开采基本顶岩层进行拉应力分析,得出了顶板破断的判别准则.依据
判别准则实例验证了分段开采后暴露岩板所受荷载只是整个上覆岩层中的一部分,指出上覆层中存在卸载拱结构,正是结构
体的存在承担了大部分上覆岩层荷载,直接影响了开采过程的矿压显现.通过对卸载拱影响因素的研究,指出卸载拱是顶板
岩层中的一种动态扩展结构,当原有的拱式平衡被打破,拱结构朝顶板侧上移,并达到一种新的平衡态,因此其范围是不断扩
展的一个/平衡)失稳)再平衡)再失稳0的动态扩展过程,也是造成工作面矿压显现的原因.
关键词水平分段放顶煤;弹性薄板;卸载;拱结构;方差分析
分类号TD31

急斜煤层水平分段放顶煤开采,分段高度一般沿层面法线方向分力较小,使基本顶沿走向破断的
在10~20m左右.由于一次性放煤高度较大(一般极限跨度较大.工作面沿走向水平推进中,暴露顶
采215m,放715~1715m),随着工作面的推进及顶板呈一狭长矩形.将矩形板看作弹性薄板[3-5],板
煤的冒落,顶板的应力场处于不断的变化之中.开四边固定约束,边长2a@2b,其中2a为工作面沿
采后,直接顶强度较低,受采动影响后较易冒落,并走向推进中暴露岩板走向长度,2b为暴露岩板平行
堆积在采空区底部靠顶板侧.基本顶(老顶)破坏过于岩层层理方向倾斜长度.岩板受法向载荷q1=
程中,顶板岩层中存在一定的结构体,正是结构体的qcosA及切向载荷q2=qsinA共同作用(图1).
存在影响了围岩的后续破坏及矿压显现的特对于薄板上表面(朝顶板侧),在q1,q2共同作
[1-2]用下设位于处
点.因此,对于急斜煤层开采后基本顶结构的,a/b=k,x=0,y=-b,z=-t/2
产生最大拉应力其值为
研究显得非常必要.,:
21k4b2qcosA
R=+
1基本顶破断力学模型14
8t21+k4+k2
7
急斜水平分段放顶煤开采,受工作面布置形式
222
影响,基本顶沿倾斜的悬露顶板长度通常比较短.5kbqsinA(2+k-Lk)
24122722
同时,由于煤层倾角较大,基本顶及其上覆岩体重力4t2k+(1-L)(1+k)+k(1-L)-k(1+L)
2120
(1)

图1老顶破断力学模型
Fig.1Mechanicalmodelofroofdestruction

薄板上表面位于x=0,y=b,z=-t/2处产21k4b2qcosA
R=-
生的拉应力为:24
8t21+k4+k2
7
收稿日期:2006-01-28修回日期:2006-06-01
222
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50274058);2005年高5kbqsinA(2+k-Lk)
等学校博士点专项基金资助项目(No.20040704002)24122722
4t2k+(1-L)(1+k)+k(1-L)-k(1+L)
作者简介:邵小平(1973)),男,博士研究生;石平五(1941)),男,2120
教授,博士生导师(2)
#448#北京科技大学学报第29卷

对于薄板下表面(朝采空区侧),在q1,q2共同AN+MB<MNRs时,岩板处于稳定状态.
作用下,位于x=0,y=0,z=t/2处产生最大拉应
2基本顶结构存在性研究
力为:
21k2b2qcosA(k2+L)211现场研究
R3=(3)
2442
16t1+k+k以乌鲁木齐矿业集团下属碱沟煤矿B4+5+6煤
7
层开采[6]为实例.该矿采用水平分段放顶煤开采,
式中,L为泊松比,A为煤层倾角.
煤层倾角87b,分段高度20m(采高215m,放煤高度
由于岩石的强度特征为R拉<R剪<R压,所以单
1715m),工作面埋深130m.据现场及实验资料取
向岩板在法向载荷与切向载荷共同作用下,其破坏
岩板厚度t=2m,L=0125,Rs=312MPa.开采后若
主要由倾向受拉引起.当板满足a>b,A>45b时,
岩板所受均布荷载q按垂直应力CH(H为埋深)计
满足R1>R3>R2,因此岩板的破坏顺序依次为:首
算,工作面自开切眼推进10m后,判别式始终满足
先在薄板上支承端上表面中点处产生拉裂裂隙,裂
AN+MB>MNR.在如此大的垂直应力作用下,
隙沿边界向角部发展;随后在薄板下表面中部产生s
基本顶岩层破断后不可能保持稳定状态,岩层垮落
拉裂,裂隙沿工作面方向发展