錢營孜礦1.5Mta新井設(shè)計【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,錢營孜礦,mta,設(shè)計,cad,圖紙,文檔
專
題
部
分
巖層控制的柔性關(guān)鍵層理論
摘要：通過分析上覆巖層的破斷規(guī)律，定義了柔性關(guān)鍵層，給出了柔性關(guān)鍵層的判別方式，分析出了柔性關(guān)鍵層對關(guān)鍵層復(fù)合破斷和礦壓顯現(xiàn)的影響，柔性關(guān)鍵層會使上覆巖層周期來壓強(qiáng)度減輕，頻數(shù)增大。分析了組合梁對關(guān)鍵層和柔性關(guān)鍵層的影響，將組合梁膠合為一個整體時，巖梁抗彎曲能力會根據(jù)組合梁的層數(shù)指數(shù)增加，巖梁抗拉能力會根據(jù)組合梁的層數(shù)倍增加，從力學(xué)角度解釋了錨桿支護(hù)中組合梁理論。
關(guān)鍵詞：關(guān)鍵層；柔性關(guān)鍵層；礦壓顯現(xiàn)；組合梁
1關(guān)鍵層理論研究背景
1.1關(guān)鍵層理論概述
煤礦開采引起的地表沉陷和礦壓顯現(xiàn)與上覆巖層彎曲下沉和破壞過程密切相關(guān),對巖體局部或直至地表的全部巖體的運動起控制作用的堅硬巖層稱為關(guān)鍵層,前者稱為亞關(guān)鍵層,后者稱為主關(guān)鍵層,關(guān)鍵層較其他巖層厚而堅硬。主關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或者相當(dāng)大部分的上覆巖層產(chǎn)生彎曲下沉,顯著影響采場礦山壓力顯現(xiàn),劇烈時甚至形成頂板型沖擊礦壓,或?qū)е禄夭晒ぷ髅婷后w高夾持應(yīng)力形成煤層型沖擊礦壓,威脅工作面的安全生產(chǎn)。
煤層開采后必然引起巖體向采空區(qū)內(nèi)移動,巖層移動將造成如下采動損害:①形成礦山壓力顯現(xiàn),危及井下回采工作面人員及設(shè)備的安全,需要對圍巖進(jìn)行支護(hù)。②形成采動裂隙,會引起周圍巖體中的水與瓦斯的運移,引起井下瓦斯突出與突水等事故,需對此進(jìn)行控制與利用。③巖層移動傳遞到地表引起地表沉陷,導(dǎo)致農(nóng)田、建筑設(shè)施的毀壞,引發(fā)一系列環(huán)境問題,需對地表下沉進(jìn)行預(yù)測與控制。上述三方面是煤礦采動損害的主要方面,也是巖層控制研究的主要內(nèi)容。掌握整個采動巖體的活動規(guī)律,特別是內(nèi)部巖層的活動規(guī)律,是解決采動巖體災(zāi)害的關(guān)鍵。
由于成巖時間及礦物成分不同,煤系地層形成了厚度不等、強(qiáng)度不同的多層巖層。實踐表明,其中一層至數(shù)層厚硬巖層在巖層移動中起主要的控制作用。從采場礦山壓力控制的角度出發(fā),以研究老頂巖層的破斷運動為主體,于80年代初提出了“砌體梁”理論并研究了堅硬巖層板模型的破斷規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,近年來為了解決巖層控制中更為廣泛的問題,錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)下的課題組提出了巖層控制的關(guān)鍵層理論。將對采場上覆巖層活動全部或局部起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。覆巖中的關(guān)鍵層一般為厚度較大的硬巖層,但覆巖中的厚硬巖層不一定都是關(guān)鍵層。關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)是其變形和破斷特征,即在關(guān)鍵層破斷時,其上覆全部巖層或局部巖層的下沉變形是相互協(xié)調(diào)一致的,前者稱為巖層活動的主關(guān)鍵層,后者稱為亞關(guān)鍵層。也就是說,關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致全部或相當(dāng)部分的上覆巖層產(chǎn)生整體運動。覆巖中的亞關(guān)鍵層可能不止一層,而主關(guān)鍵層只有一層。關(guān)鍵層理論研究的總體思路是:為了弄清開采時由下往上傳遞的巖層移動動態(tài)過程,并對巖層移動過程中形成的采場礦壓顯現(xiàn)、煤巖體中水與瓦斯的流動和地表沉陷等狀態(tài)的變化進(jìn)行有效監(jiān)測與控制,關(guān)鍵在于弄清關(guān)鍵層的變形破斷及其運動規(guī)律以及在運動過程中與軟巖層間的相互耦合作用關(guān)系。
關(guān)鍵層理論的研究對層狀礦體開采過程中的礦山壓力控制、開采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等具有重要意義。自建立關(guān)鍵層理論的初步框架以來,引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上,近年來課題組對關(guān)鍵層理論開展了全面深入的研究。
鄰近采場并對采場礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵層習(xí)慣上稱為老頂。關(guān)鍵層理論研究表明,相鄰硬巖層的復(fù)合效應(yīng)增大了關(guān)鍵層的破斷距,當(dāng)其位置靠近采場時,將引起工作面來壓步距的增大和變化。此時不僅第一層硬巖層對采場礦壓顯現(xiàn)造成影響,與之產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的鄰近硬巖層也對礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。其影響主要體現(xiàn)在兩方面:其一,當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的相鄰硬巖層破斷距相同時,一方面關(guān)鍵層破斷距增大,另一方面一次破斷巖層厚度增大,增大了工作面的來壓步距和礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。其二,當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的相鄰硬巖層破斷距不等,工作面來壓步距將呈一大一小的周期性變化。神府淺埋煤層等多個礦井的實測資料都證實了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對采場礦壓顯現(xiàn)的上述影響。當(dāng)覆巖中存在典型的主關(guān)鍵層時,由于其一次破斷運動的巖層范圍大,往往會對采場來壓造成影響,尤其當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷時,將引起采場較強(qiáng)烈的來壓顯現(xiàn)。
關(guān)鍵層理論研究已在理論和實踐兩方面取得了很大進(jìn)展。關(guān)鍵層理論進(jìn)一步研究的重點是關(guān)鍵層破斷復(fù)合效應(yīng)的深入研究、表土層與關(guān)鍵層耦合關(guān)系、關(guān)鍵層理論進(jìn)一步在“三下一上”采煤研究中的應(yīng)用。關(guān)鍵層理論的工程應(yīng)用僅僅是一個開始,隨著關(guān)鍵層理論的工程應(yīng)用僅僅是一個開始,隨著關(guān)鍵層理論研究的不斷深入,必將給巖層移動控制帶來重大的進(jìn)展和突破。
采場上覆巖層中的關(guān)鍵層有如下特征：
（1）幾何特征，相對于其他同類巖層單層厚度較厚；
（2）巖性特征，相對其他巖層較為堅硬，即彈性模量較大，強(qiáng)度較高；
（3）變形特征，關(guān)鍵層下沉變形時，其上覆全部或局部巖層的下沉量同步協(xié)調(diào)；
（4）破斷特征，關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致全部或局部上覆巖層的同步破斷，引起較大
范圍內(nèi)的巖層移動；
（5）承載特征，關(guān)鍵層破斷前以“板”（或簡化為“梁”）的結(jié)構(gòu)形式作用全部巖層或局部巖層產(chǎn)生整體運動，使其上覆全部巖層或局部巖層的下沉變形相互協(xié)調(diào)一致。
覆巖中的亞關(guān)鍵層可能不止一層，而主關(guān)鍵層只有一層。一般來說，關(guān)鍵層即為主承載層，在破斷前可以“板”（或簡化為“梁”）結(jié)構(gòu)的形式承受上部巖層的部分重量，斷裂后則可形成砌體梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形態(tài)即是巖層移動的形態(tài)。而各亞關(guān)鍵層之間或主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層之間移動的不協(xié)調(diào)即形成了巖體內(nèi)部的離層。
關(guān)鍵層理論將整個覆巖作為統(tǒng)一對象，研究巖層移動由下往上傳遞的動態(tài)過程及其形成的采場礦壓顯現(xiàn)，巖層中節(jié)理裂隙的分布、瓦斯抽放、突水防治以及開采沉陷等采動損害問題。關(guān)鍵層理論的研究對層狀礦體開采過程中的礦山壓力控制、開采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等具有重要意義。
1.2關(guān)鍵層理論的工程實踐
將關(guān)鍵層理論及其有關(guān)采動裂隙分布規(guī)律的研究成果應(yīng)用于我國卸壓瓦斯抽放的研究與工程實踐,取得了顯著性成果。理論與試驗研究揭示，當(dāng)關(guān)鍵層破斷后,位于采空區(qū)中部的采動裂隙趨于壓實，而在采空區(qū)四周存在采動裂隙“O”形圈，采動裂隙“O”形圈能長期保持，周圍煤巖體中的瓦斯解析后通過滲流不斷地匯集“O”形圈，卸壓瓦斯抽放鉆孔應(yīng)打到采動裂隙“O”形圈內(nèi)，以保證鉆孔有較長的抽放時間、較大的抽放范圍、較高的瓦斯抽放率。“O”形圈理論已在淮北、淮南、陽泉等礦區(qū)的卸壓瓦斯抽放中得到成功試驗與應(yīng)用。“O”形圈理論對注漿充填的鉆孔布置同樣具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵層理論為“三下一上”采煤的深化研究提供了理論基礎(chǔ)。將關(guān)鍵層理論應(yīng)用于“三下一上”采煤研究與工程實踐，取得了顯著性成果。關(guān)鍵層理論為進(jìn)一步完善建筑物下開采設(shè)計提供了理論指導(dǎo)，其基本原則是保證上覆巖層中的主關(guān)鍵層破斷并保持長期穩(wěn)定，通過條帶開采、覆巖離層注漿等技術(shù)手段來保證覆巖主關(guān)鍵層的穩(wěn)定。在關(guān)鍵層理論指導(dǎo)下，開展了大量“三下一上”開采試驗，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。巖層控制的關(guān)鍵層理論的原理可以用于采場底板突水治理研究中，即在采場底板隔水層中，找出起主要控制作用的巖層——隔水關(guān)鍵層，由此展開相應(yīng)的力學(xué)分析。在采場底板突水事故統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，對無斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理及有斷層底板關(guān)鍵層的破斷與突水機(jī)理進(jìn)行了研究，據(jù)此提出了底板突水預(yù)測預(yù)報的原理與方法，在淮北朱莊礦 6313 工作面底板突水危險性的預(yù)測預(yù)報中得到了應(yīng)用與驗證。
關(guān)鍵層理論研究表明，相鄰硬巖層的復(fù)合效應(yīng)增大了關(guān)鍵層的破斷距，當(dāng)其位置靠近采場時，將引起工作面來壓步距的增大和變化。此時不僅第一層硬巖層對采場礦壓顯現(xiàn)造成影響,與之產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的鄰近硬巖層也對礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響。其影響主要體現(xiàn)在兩方面：其一，當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的相鄰硬巖層破斷距相同時，一方面關(guān)鍵層破斷距增大，另一方面一次破斷巖層厚度增大，增大了工作面的來壓步距和礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。其二，當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)的相鄰硬巖層破斷距不等，工作面來壓步距將呈一大一小的周期性變化。神府淺埋煤層等多個礦井的實測資料都證實了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對采場礦壓
關(guān)鍵層判別的主要依據(jù)為其變形和破斷特征，即關(guān)鍵層的斷裂將導(dǎo)致其上覆全部巖層或局部巖層產(chǎn)生整體運動，使其上覆全部巖層或局部巖層的下沉變形相互協(xié)調(diào)一致。覆巖中的亞關(guān)鍵層可能不止一層，而主關(guān)鍵層只有一層。一般來說，關(guān)鍵層即為主承載往往會對采場來壓造成影響，尤其當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷時，將引起采場較強(qiáng)烈的來壓顯現(xiàn)。
關(guān)鍵層理論研究已在理論和實踐兩方面取得了很大進(jìn)展。基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)下的課題組提出了煤礦的綠色開采技術(shù)體系。 “綠色開采技術(shù)”主要包括以下內(nèi)容：
（1）水資源保護(hù)——形成“保水開采”技術(shù)；
（2）土地與建筑物保護(hù)——形成離層注漿、充填與條帶開采技術(shù)；
（3）瓦斯抽放——形成“煤與瓦斯共采”技術(shù)；
（4）煤層巷道支護(hù)技術(shù)與減少矸石排放技術(shù)；
（5）煤炭地下氣化技術(shù)。綠色開采技術(shù)體系將是我國今后煤礦開采的發(fā)展方向和出路。
2柔性關(guān)鍵層的提出
由關(guān)鍵層的定義：將對采場上覆巖層局部或直至地表全部額巖層起控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層與上覆所控制的巖層同步變形，但是關(guān)鍵層破斷的時，關(guān)鍵層控制的上覆巖層并不一定也同時破斷，而可能出現(xiàn)上覆巖層中存在某一層巖層不跟隨破斷，起到類似關(guān)鍵層的作用，控制該層以上數(shù)層巖層的活動。
圖2-1 柔性關(guān)鍵層示意圖
為了說明這樣一種巖層的存在，建立如圖2-1所示模型。煤層上覆巖層中已知1層為關(guān)鍵層，并且控制上覆巖層2，為了簡化問題，本模型中巖層一共兩層。巖層1、2的力學(xué)物理參數(shù)如表2-1。
表2-1 巖層1、2物理力學(xué)參數(shù)表
巖層
體積力/MN?m-3
厚度/m
彈性模量/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
1
γ1
h1
E1
R1
2
γ2
h2
E2
R2
考慮到第2層對第1層的作用，關(guān)鍵層1所受到的載荷為：
（2-1）
按固支梁來計算極限跨距為：
（2-2）
把式1帶入式2得到：
（2-3）
從上往下只考慮巖層2時，巖層2的載荷為：
（2-4）
極限跨距為：
（2-5）
當(dāng)L1>L1時，即載荷作用下的巖層1發(fā)生破斷的破斷距大小于巖層2單獨存在時的破斷距，即：關(guān)鍵層1發(fā)生破斷時，巖層2并未發(fā)生破斷。
關(guān)鍵層1變形過程中，巖層2隨之同步變形，之所以同步變形是因為關(guān)鍵層1作用一個支撐作用力于巖層2，可知假如沒有該作用力巖層2的撓曲線曲率會更大。
單獨只考慮巖層2時，曲率
（2-6）
式中：
M2為巖層2所受到的彎矩；
J2為巖層2的端面距；
而如果單獨只考慮巖層1時，曲率
（2-7）
式中：
M1為巖層1所受到的彎矩；
J1為巖層1的端面距；
關(guān)鍵層1控制巖層2的變形，可以推知在單獨分別考慮巖層1和巖層2時，跨度中間巖層2的曲率會大于跨度中間巖層1的曲率。這樣在形成關(guān)鍵層時，關(guān)鍵層1會給巖層2一定的支撐作用力，使巖層2的曲率變小，巖層1和巖層2趨于相，。即：
（2-8）
（2-9）
這里我們假定巖層1和巖層2的幾何尺寸和體積力均相同，則跨度中間M1和M2、J1和J2也相同。則：
（2-10）
由此可以看到巖層1的彈性模量大于巖層2的彈性模量，可知當(dāng)幾何尺寸一樣時巖層1的剛度要大于巖層2的的剛度。巖層2在巖層1破斷之后仍可保持平衡，在一定條件下，可以繼續(xù)作為關(guān)鍵層控制上覆巖層的變形，但相比關(guān)鍵層1，巖層2的剛度較小，這里我們定義這種在關(guān)鍵層破斷后繼續(xù)作為關(guān)鍵層控制上覆一層或幾層巖層變形的巖層稱為柔性關(guān)鍵層。
3柔性關(guān)鍵層的判別
采動覆巖中,任一巖層所受的載荷除了自身的載荷外，還會受到上覆臨近巖層的相互作用。一般來說采動引起的覆巖載荷是非均勻分布的，但為了分析的方便，假設(shè)巖層載荷為均勻分布下面進(jìn)行柔性關(guān)鍵層的辨別分析。
圖3-1 巖層示意圖
假設(shè)圖所示為一組巖層，其中巖層1為關(guān)鍵層，控制上覆巖層2~n的變形移動，根據(jù)關(guān)鍵層破斷條件，當(dāng)：
其中：
時，關(guān)鍵層1發(fā)生破斷，但是如果上覆巖層中存在柔性關(guān)鍵層，柔性關(guān)鍵層會繼續(xù)起到關(guān)鍵層的作用控制上覆巖層的活動和變形。
表3-1 巖層1~n層物理力學(xué)參數(shù)表
巖層
體積力/MN?m-3
厚度/m
彈性模量/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
1
γ1
h1
E1
R1
2
γ2
h2
E2
R2
n
γn
hn
En
Rn
關(guān)鍵層1破斷后，這里把2~n層巖層重新看做一組新的巖層，在此基礎(chǔ)上尋找新的關(guān)鍵層，根據(jù)巖層2是不是關(guān)鍵層可以分為兩種情況：
（1）巖層2為關(guān)鍵層，此時又可以根據(jù)巖層2是控制局部基層巖層還是控制全部3~n層巖層分為以下兩種情況：
①巖層2控制3~n全部巖層，此時根據(jù)組合梁理論求出極限跨距L2：
其中：
如果L2>l1,則巖層2為柔性關(guān)鍵層，在關(guān)鍵層1破斷后，巖層2會成為關(guān)鍵層，支撐上覆巖層，控制上覆巖層的變形，不隨關(guān)鍵層1的破斷而破斷。如果L2
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