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关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用


ISSN 1005—2763 CN 43一1215/TD

矿业研究与开发第28卷第6期
MINING R&D,V01.28,No.6

2008年12月
Dec.2008

关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用
武玉霞,赵国彦,刘爱华
(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙410083)

摘要:基于岩层控制中的关键层理论,采用砌体梁理论对 底板关键层破断块体的稳定性进行了分析,从而对采场底板 突水危险性做出评价。结果表明,底板关键层破断岩块的高 长比越小,其形成的砌体梁结构抗滑落失稳的能力越大;关 键层破断后互相咬合中间上浮量达△时,就形成了岩块结构 的变形失稳。所以根据底板关键层破断岩块的高长比及岩 块间咬合中间上浮量。可以判断采场底板突水的危险性。 关键词:关键层;底板突水;砌体梁;危险性评价 中图分类号:TD742+.3 文献标识码:A

分析方法对底板关键层破断块体的稳定性进行了分 析,从而对底板突水危险性做出评价。


底板关键层破断块体的稳定性分析
在煤岩层中,由于成岩时间和矿物成份不同,各

岩层厚度和力学性质等方面存在不同程度的差别。 底板采动破坏带以下及含水层以卜承载能力最大的 一层岩层被称为底板关键层,在底板隔水层中起关 键控制作用,如图1所示。

文章编号:1005—2763(2008)06—0070—03

Appfication of Key of

Stratum Theory in the Risk Evaluation
Inrush

Water

from Stope Floor

Wu Yuxia,Zhao Guoyan,Liu Aihua

(School

of Recourse and Safety Engineering,Central South

。l喜畚aa占堑晶i基鲭盎蟠型基瑟

University,Changsha,Hunan 410083,China)
Abstract:Based the stability
on

the theory of key stratum in ground control,
ana—

关键层■■:.

of broken block in the key stratum of floor Was masonry beam,and the risk of

f f f f





lyzed by using the theory of —inrush from stope the smaller the ratio greater the

water

{工}##’承。压咏j{<工善
图1 采场工作面和关键层载荷特征

floor Was evaluated.The results showed that of the broken blockg height and length,the
to

masonry beam"s resistance

slide instability,if the bl()cks reach


底板关键层上的载荷分为正向载荷和负向载 荷。正向载荷包括关键层的自重及关键层以上底板 岩层和覆岩跨落层的自重。正向载荷起抑制变形破 坏作用,或称抵抗水压作用。负向载荷即为承压水 的水压,对底板关键层起变形破坏作用。 随着回采工作面的推进,只要工作面老顶的极 限破断跨距大于底板关键层的破断跨距,底板关键 层就要产生“OX”型断裂(见图2)。 根据关键层“OX”型的破坏特点,可将工作面底 板分为上、中、下3个区,破断的岩块互相挤压形成 水平力,从而使岩块问产生摩擦力。卸载空间底板 的上、下两区是圆弧形破坏,岩块问的咬合是一个立 体咬合关系,而中部剖面,则可能形成外表似梁,实

ascending quantum between the broken

certain

extent,deformation instability may happen

between

the broken

blocks.So

the ratio of the broken block's height and length
call

and
tO

the ascending quantum between the broken blocks

be used

evaluate the risk of water—inrush from stope floor.

Key Words:Key stratum,Water—inrush from floor,Masonry
beam,Risk evaluation

煤层底板突水是矿井生产的5大灾害之一。多 年来,我国科研工作者对底板突水做了大量的研究 工作,提出了各种突水判据和理论,其中包括关键层

理论。前人对底板关键层破断条件即极限破断跨距
研究较多,而对其破断后各块体平衡关系的研究却 很少。本文采用砌体梁结构的滑落失稳与回转失稳

收稿日期:2007—12~18 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助(2007C1-1209402). 作者简介:武玉霞(1982一),女.硕士。主要从事曰"ill安全技术及工程研究,Email:wuyuxia一001@163.corn。

万   方数据

武玉霞,等:

关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用

7l

质是拱的砌体梁结构,继续成为承载主体。

尺≤T‘tan‘p

(2)

将R=qL/2,T=qLZ/8h代人上式得:

焘5÷tantp 一'—。 9,/3(






、7



式中:妒——岩块问的摩擦角;

沈——岩块的长度。
由(2)式可知,图3中的反三铰拱岩块结构是否 会滑落失稳主要取决于关键层破断岩块的高长比。
图2底板关键层破断后的一般状态

显然,高长比越小,结构抗滑落失稳的能力越大。 一般情况下妒=380一45。,tamp=0.8~1。因 此,要防止关键层初次破断后砌体梁结构产生滑落 失稳,岩块的高长比要小于0.4~O.5,即岩块长度 要大于2~2.5倍岩块厚度。 1.2结构的变形失稳 在岩块的回转过程中,由于挤压处局部应力集 中,致使该处进入塑性状态,甚至局部受拉而使咬合 处破坏造成岩块回转进一步加剧,从而导致整个结 构失稳。

若关键层岩层抗拉强度较小,关键层岩梁先在
两侧支座的下端裂开,而后在梁的中间顶部开裂。 随着岩块的转动形成强大的水平挤压力,从而使岩 块间形成如图3所示的反三铰拱式平衡结构。此结 构平衡取决于咬合点处的摩擦力与剪切力的相互关 系,当剪切力大于摩擦力时形成滑落失稳;另外即是 咬合点处的挤压力是否超过该咬合点接触面处的强 度极限,在一定条件下可能导致岩块随着回转而变 形失稳,其表现形式为关键层的台阶上浮,从而发生 底板突水。

因此并不足关键层刚达到断裂极限发生断裂就 产生突水,它还取决于岩块之间的相互咬合和平衡 关系。 1.1结构的滑落失稳 咬合点处摩擦力的作用方向与岩块滑落的方向 相反,冈而起防止岩块问相互滑落的作用。
图4回转岩块的分析


图3工作面底版中部剖面
T=qLZ/8h

(a)

根据反三铰拱的平衡原理,成拱且使岩块保持
平衡的水平推力r为: (1)

关键层破断岩块回转后的状态如图4(a)所示。

取∑Mo=0,则: T?(JIl—n一△)=i1 厶
qf2

式中:g——裂隙体梁的载荷集度;

£r跨距;

(4)

^——岩块的厚度。
砌体梁结构的剪切力尺在两端支座处最大,其 值为qL/2。 当剪切力与摩擦力相等时,呈极限平衡状态。 如果剪切力大于摩擦力,此结构将出现滑落失稳,必 须满足:

式中有关符号的含义见图4。鉴于咬合点处于 塑性状态,因而r的作用点取a/2处,△可近似的取
Z?sin0。

即当。较小时
A’B’=EF—h?sin0 BB 7=Z?sin0

(5)
(6)

万   方数据

72

矿业研究与开发

2008,28(6)

BD=BB 7?sin0=Z?sin20 AB=AD—BD=h?sin0一Z?sin20 BC=AB/sinO=h—Z?sin0 2a=BC=h—l?sin0

而A=l?sin0,所以

△=^f-一√—3n 1—.K)


(?9)

由此可以求得在底板关键层破断后互相咬合中 间上浮量达△时,即形成了岩块结构的变形失稳。


a=i1(h—Z?sin0)
』;

(11)

因此
T=q12/h—Z?sinO





(12)

(1)关键层破断岩块的高长比越小,其形成的 砌体梁结构抗滑落失稳的能力越大,突水危险性也 越大。

咬合处形成的挤压应力盯。为 O'p=T/a=2q12/(h—Z?sin0)2= 2qi2/(1一i?sinO)2 式中,i=//h。 令岩块间挤压强度or。与抗压强度[盯。]的比值 为K,则允许承受的载荷q为: q=k(1一i?sin0)2[盯。]/2i2 (14) 而梁在断裂时(达到极限跨距),载荷q与岩梁 (13)

(2)当关键层破断后互相咬合中间上浮量达△ 时,即形成了岩块结构的变形失稳,所以根据其上浮

量町以判断底板突水的危险性。
(3)底板关键层在破断成岩块后,只要有一定 的条件,它仍然能形成外形如梁,实质是拱的平衡条 件,保护着采场底板,使其不发生突水事故。
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抗拉强度矾的关系为:
矾=M?q?612/h2=6Mi2q

(15)

式中,M根据梁的固支或简支等状态而定,一般为 1/2~1/3。则:
q=or。/6Mi2

(16)

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在一般岩石中,抗拉强度吼与抗压强度[Or。]
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s啪=争(?一
(上接第30页)
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关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 武玉霞, 赵国彦, 刘爱华, Wu Yuxia, Zhao Guoyan, Liu Aihua 中南大学,资源与安全工程学院,湖南,长沙,410083 矿业研究与开发 MINING RESEARCH AND DEVELOPMENT 2008(6)

参考文献(5条) 1.黎良杰;殷有泉 评价矿井突水危险性的关键层方法 1998 2.王吉松;关英斌 煤层底板突水研究的理论和方法[期刊论文]-煤炭科学技术 2006(01) 3.WANG LK;MIAO XX;Song Y Study on catastrophic mechanism of water-inrush from coal floor 2004 4.钱鸣高;石平五 矿山压力与岩层控制 2003 5.钱鸣高;缭协兴 岩层控制中的关键层理论研究 1996(03)

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