錢營(yíng)孜礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖.zip,錢營(yíng)孜礦,1.5,Mta,設(shè)計(jì),CAD
巖層控制的柔性關(guān)鍵層理論
摘要：通過(guò)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(duì)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(huì)使上覆巖層周期來(lái)壓強(qiáng)度減輕，頻數(shù)增大。分析了組合梁對(duì)關(guān)鍵層和柔性關(guān)鍵層的影響，將組合梁膠合為一個(gè)整體時(shí)，巖梁抗彎曲能力會(huì)根據(jù)組合梁的層數(shù)指數(shù)增加，巖梁抗拉能力會(huì)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(kāi)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(guò)程密切相關(guān),對(duì)巖體局部或直至地表的全部巖體的運(yùn)動(dòng)起控制作用的堅(jiān)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(jiān)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(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn),劇烈時(shí)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(kāi)采后必然引起巖體向采空區(qū)內(nèi)移動(dòng),巖層移動(dòng)將造成如下采動(dòng)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(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。②形成采動(dòng)裂隙,會(huì)引起周圍巖體中的水與瓦斯的運(yùn)移,引起井下瓦斯突出與突水等事故,需對(duì)此進(jìn)行控制與利用。③巖層移動(dòng)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(wèn)題,需對(duì)地表下沉進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制。上述三方面是煤礦采動(dòng)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(gè)采動(dòng)巖體的活動(dòng)規(guī)律,特別是內(nèi)部巖層的活動(dòng)規(guī)律,是解決采動(dòng)巖體災(zāi)害的關(guān)鍵。
由于成巖時(shí)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(shí)踐表明,其中一層至數(shù)層厚硬巖層在巖層移動(dòng)中起主要的控制作用。從采場(chǎng)礦山壓力控制的角度出發(fā),以研究老頂巖層的破斷運(yùn)動(dòng)為主體,于80年代初提出了“砌體梁”理論并研究了堅(jiān)硬巖層板模型的破斷規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,近年來(lái)為了解決巖層控制中更為廣泛的問(wèn)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(duì)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)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(shí),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(dòng)的主關(guān)鍵層,后者稱為亞關(guān)鍵層。也就是說(shuō),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(yùn)動(dòng)。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(kāi)采時(shí)由下往上傳遞的巖層移動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程,并對(duì)巖層移動(dòng)過(guò)程中形成的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)、煤巖體中水與瓦斯的流動(dòng)和地表沉陷等狀態(tài)的變化進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)與控制,關(guān)鍵在于弄清關(guān)鍵層的變形破斷及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)層狀礦體開(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力控制、開(kāi)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(lái),引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上,近年來(lái)課題組對(duì)關(guān)鍵層理論開(kāi)展了全面深入的研究。
鄰近采場(chǎng)并對(duì)采場(chǎng)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(chǎng)時(shí),將引起工作面來(lái)壓步距的增大和變化。此時(shí)不僅第一層硬巖層對(duì)采場(chǎng)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(duì)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(shí),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(lái)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(lái)壓步距將呈一大一小的周期性變化。神府淺埋煤層等多個(gè)礦井的實(shí)測(cè)資料都證實(shí)了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對(duì)采場(chǎng)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(shí),由于其一次破斷運(yùn)動(dòng)的巖層范圍大,往往會(huì)對(duì)采場(chǎng)來(lái)壓造成影響,尤其當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷時(shí),將引起采場(chǎng)較強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)。
關(guān)鍵層理論研究已在理論和實(shí)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(diǎn)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(gè)開(kāi)始,隨著關(guān)鍵層理論的工程應(yīng)用僅僅是一個(gè)開(kāi)始,隨著關(guān)鍵層理論研究的不斷深入,必將給巖層移動(dòng)控制帶來(lái)重大的進(jìn)展和突破。
采場(chǎng)上覆巖層中的關(guān)鍵層有如下特征：
（1）幾何特征，相對(duì)于其他同類巖層單層厚度較厚；
（2）巖性特征，相對(duì)其他巖層較為堅(jiān)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(shí)，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(dòng)；
（5）承載特征，關(guān)鍵層破斷前以“板”（或簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，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(lái)說(shuō)，關(guān)鍵層即為主承載層，在破斷前可以“板”（或簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(gè)覆巖作為統(tǒng)一對(duì)象，研究巖層移動(dòng)由下往上傳遞的動(dòng)態(tài)過(guò)程及其形成的采場(chǎng)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(kāi)采沉陷等采動(dòng)損害問(wèn)題。關(guān)鍵層理論的研究對(duì)層狀礦體開(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力控制、開(kāi)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(shí)踐
將關(guān)鍵層理論及其有關(guān)采動(dòng)裂隙分布規(guī)律的研究成果應(yīng)用于我國(guó)卸壓瓦斯抽放的研究與工程實(shí)踐,取得了顯著性成果。理論與試驗(yàn)研究揭示，當(dāng)關(guān)鍵層破斷后,位于采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙趨于壓實(shí)，而在采空區(qū)四周存在采動(dòng)裂隙“O”形圈，采動(dòng)裂隙“O”形圈能長(zhǎng)期保持，周圍煤巖體中的瓦斯解析后通過(guò)滲流不斷地匯集“O”形圈，卸壓瓦斯抽放鉆孔應(yīng)打到采動(dòng)裂隙“O”形圈內(nèi)，以保證鉆孔有較長(zhǎng)的抽放時(shí)間、較大的抽放范圍、較高的瓦斯抽放率?！癘”形圈理論已在淮北、淮南、陽(yáng)泉等礦區(qū)的卸壓瓦斯抽放中得到成功試驗(yàn)與應(yīng)用?！癘”形圈理論對(duì)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(shí)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(kāi)采設(shè)計(jì)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(zhǎng)期穩(wěn)定，通過(guò)條帶開(kāi)采、覆巖離層注漿等技術(shù)手段來(lái)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(kāi)展了大量“三下一上”開(kāi)采試驗(yàn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。巖層控制的關(guān)鍵層理論的原理可以用于采場(chǎng)底板突水治理研究中，即在采場(chǎng)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(kāi)相應(yīng)的力學(xué)分析。在采場(chǎng)底板突水事故統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)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(cè)預(yù)報(bào)的原理與方法，在淮北朱莊礦 6313 工作面底板突水危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到了應(yīng)用與驗(yàn)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(chǎng)時(shí)，將引起工作面來(lái)壓步距的增大和變化。此時(shí)不僅第一層硬巖層對(duì)采場(chǎng)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(duì)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(shí)，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(lái)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(lái)壓步距將呈一大一小的周期性變化。神府淺埋煤層等多個(gè)礦井的實(shí)測(cè)資料都證實(shí)了關(guān)鍵層復(fù)合效應(yīng)對(duì)采場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，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(lái)說(shuō)，關(guān)鍵層即為主承載往往會(huì)對(duì)采場(chǎng)來(lái)壓造成影響，尤其當(dāng)主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)，將引起采場(chǎng)較強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)。
關(guān)鍵層理論研究已在理論和實(shí)踐兩方面取得了很大進(jìn)展?；趲r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(kāi)采技術(shù)體系。 “綠色開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采技術(shù)體系將是我國(guó)今后煤礦開(kāi)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(duì)采場(chǎng)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(shí)，關(guān)鍵層控制的上覆巖層并不一定也同時(shí)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(dòng)。
圖2-1 柔性關(guān)鍵層示意圖
為了說(shuō)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(jiǎn)化問(wèn)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(duì)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(lái)計(jì)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(shí)，巖層2的載荷為：
（2-4）
極限跨距為：
（2-5）
當(dāng)L1>L1時(shí)，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(dú)存在時(shí)的破斷距，即：關(guān)鍵層1發(fā)生破斷時(shí)，巖層2并未發(fā)生破斷。
關(guān)鍵層1變形過(guò)程中，巖層2隨之同步變形，之所以同步變形是因?yàn)殛P(guān)鍵層1作用一個(gè)支撐作用力于巖層2，可知假如沒(méi)有該作用力巖層2的撓曲線曲率會(huì)更大。
單獨(dú)只考慮巖層2時(shí)，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(dú)只考慮巖層1時(shí)，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(dú)分別考慮巖層1和巖層2時(shí)，跨度中間巖層2的曲率會(huì)大于跨度中間巖層1的曲率。這樣在形成關(guān)鍵層時(shí)，關(guān)鍵層1會(huì)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(shí)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(dòng)覆巖中,任一巖層所受的載荷除了自身的載荷外，還會(huì)受到上覆臨近巖層的相互作用。一般來(lái)說(shuō)采動(dòng)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(dòng)，根據(jù)關(guān)鍵層破斷條件，當(dāng)：
其中：
時(shí)，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(huì)繼續(xù)起到關(guān)鍵層的作用控制上覆巖層的活動(dòng)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(shí)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(shí)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(huì)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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