文摘

后提取煤从陡峭的工作面煤层(SCS),立即屋顶洞穴和补充下采空区的一部分。根据地质条件的工作区域在SCS和冒顶的特点,本研究提出了一个公式在采空区回填的宽度和分析的主要影响因素。基于弹性薄板的small-deflection理论,创建一个工作面模型上方老顶岩层的力学分析前SCS屋顶第一次骨折。然后,屋顶挠度方程推导了估计屋顶变形载荷的作用下上覆地层和提供的支持在采空区回填。理论分析结合实际操作参数在# 49 Zuoqipian工作面煤层Xintie煤矿表明,屋顶的最大挠度大约是0.8米和发生在一个位置39米的上端工作面。骨折将首先开发的上部分额叶和后方的墙壁上悬挂的脸和中间屋顶由于紧张或剪切并最终形成一个 - - - - - -塑造模式。测量压力和屋顶的支持获得的变形理论分析显示类似的分布模式,间接证实了理论结果的准确性。

1。介绍

工作面由直接的屋顶屋顶和主要的屋顶。眼前的屋顶通常是由薄和软岩层。因此能够很容易就随着矿业的发展,因此对采矿作业几乎没有影响。主要的屋顶通常是由厚而硬岩层组成的。作为主要的屋顶有很长的暂停部分后面的脸,对采矿工作的断裂有很大的影响,往往伴随着强烈的地层的行为,很难控制围岩。因此,有一个强调时顶板控制的挖掘。在工作面研究地层行为和发展屋顶控制措施,有必要先了解stress-deformation-fracture屋顶的主要特点(1]。很多研究已经看着上方老顶岩层的stress-deformation-fracture特征持平或轻轻倾斜煤层,达成许多有用的结论。急倾斜煤层(通常定义为一个seam倾斜一个角度大于45°(2]),屋顶的原位应力主要可以分为两个部分:一个剪切组件,这是平行于倾斜的方向,和一个正常的组件,这是垂直于焊缝。剪切分量大于正常的分量,发挥关键作用的变形破裂主要屋顶,与平或轻轻蘸接缝。

一些研究人员已经研究了stress-deformation-fracture SCS上方老顶岩层的特点。Kulakov [3)确定地层的模式行为诱导的矿业SCS基于实际测量,但分析只关注各种现象与地层相关行为发生在一个工作面。伯帝(4SCSs]讨论了无人采矿技术在控制围岩和困难,但他的研究并不深入。阴和王(5]导出的关系在SCS工作面长度和最大的位置顶挠度假设屋顶上的负载是均匀分布的,但是他们没有分析屋顶的应力性骨折的特点。杨(6)建造了一个公式,估计上面的屋顶的偏转SCS使用small-deflection弹性薄板理论和最小总势能变分原理揭示了屋顶上SCS movement-fracture机制。Zhang et al。7)获得一个屋顶挠度解析表达式使用基尔霍夫理论中的能量法,讨论了弹性薄板的挠度屋顶的主要特点,与内力的影响作用于中间面考虑。这项研究还分析了倾角煤层和顶板的厚度取决于数量的屋顶偏转。覆岩板,治疗阴et al。8]调查表土的变形特点,创建了一个基于弹性理论的上覆岩层变形模型。表土的挠度方程被开采和理论公式预测最大挠度的位置。使用公式计算的结果表明,屋顶挠度大于下部的比在其上部采空区,和最大变形发生在一个位置较低的中间部分的脸。李和刘9)上方的屋顶建模一个SCS clamped-clamped梁屋顶的倾斜方向平行使用理论方法和分析不同位置的受力的屋顶。然而,这种分析集中在屋顶的变形破裂之前和力学模型采用一个简单的二维模型。在机械分析围岩破坏的挖掘SCS,吴邦国表示,断裂的屋顶没有形成任何结构的工作面推进的方向。沿工作面长度、断裂的屋顶堆积成along-dip反倾斜桩,但这些桩脸部不对称分布的两端,而不是形成一个连续保护下面的采场结构。

先前的研究上面的屋顶的stress-deformation-fracture特征SCS主要用梁或板模型代表了屋顶和假定负载在屋顶上有一个统一的或梯形分布,不能反映实际的力学行为SCS上面的屋顶。原位监测表明,随着SCS的矿业的发展,最直接的屋顶很容易洞穴和岩石屈服了然后续杯下部的采空区10,11],使得采空区上方的屋顶上挂的上部分。因此,在工作面覆上的负载不对称倾斜方向(图1),因此床分离和屈服的表土是不对称的,增加的困难围岩控制12,13]。提供的支持回填采空区中不可避免地会影响应力变形的主要屋顶SCS的工作面。然而,这种效应在上述研究中没有检查。出于这个原因,当前的研究首先分析了直接顶的屈服的特点和在采空区回填采矿SCS然后调查stress-deformation-fracture屋顶的主要特征。这个研究的发现可以提供一个有用的指南如何控制围岩在SCSs工作面临基于地层的特征行为的理解。

2。采空区回填的特征

支持是位于工作面煤壁和屋顶上的边缘发挥修复作用。这项研究是关于stress-deformation-fracture在采空区顶板的特征。然而,根据参数(宽度1.5米,长度5.5米和支架阻力2600 kN)支持的Xintie煤矿,我们可以计算阻力0.31 MPa的压力,这个可以忽略而屋顶上覆岩层的重量。因此,这项研究没有考虑采空区顶板支架阻力的作用。

在矿业SCS,立即屋顶将会崩溃和补充的下部采空区由于大倾角煤层。因此,冒顶高度下降大约从高端到低端的脸。当采空区上方的屋顶的暂停部分主要有一个宽度小于主屋顶的最终屈服区间,主要的屋顶,回填,岩石的块沿面可以形成一个拱形结构的上层部分机械平衡。然后沿着脸的较低部分回填施加影响的屋顶受力变形的设计属性的脸。

根据岩性和上覆岩层的力学性能,直接顶在屋顶主要可分为层很容易屈服和滞后屈服地层。地层非常容易屈服的崩溃随时面临支持推进。这样的暂停部分地层在工作面宽度的通常短于一个支持(一个支持的宽度是1.5米)(14]。相比之下,滞后屈服地层不很容易就和他们暂停部分通常只要宽度的2 - 5倍一个支持(2]。随着屋顶支持推进的顺序从最低到最高的(15- - - - - -17),地层非常容易屈服往往立即下跌背后的支持,而上层滞回屈服地层坍塌随着工作面向前移动。然后屈服了岩石续杯的下部采空区。在采空区回填的范围确定屈服和运动特点的基础上直接的屋顶。图2显示了在采空区回填的示意图。在这个图中,是矿业的高度,工作面长度,回填的宽度在降低采空区的一部分。

为了便于后续定量分析,创建的空腔沿着中上部分工作面冒顶与梯形截面简化为空间方向倾斜,如图3。在图3,代表的宽度回填来源于滞后地层屈服,是低角度倾斜方向屈服,然后呢上崩落角的倾斜方向。

的问题确定在采空区回填的宽度可以转化为求解线段的长度或EF如图3 (b)。啊的长度是滞后屈服地层的厚度表示 。很容易屈服层的长度表示 。的长度然后由

根据几何关系和方程(1)的长度 , ,和可以表示如下:

, ,和可以通过以下方程:相关

膨胀后,屈服了岩石从该地区由ABCD截面DEFG定义然后占据空间的横截面,根据图中所示的几何关系3 (b)。同时求解方程(1),(2)和(3)收益率回填的宽度沿工作面较低的部分: 在哪里是屈服了岩石的膨胀系数,通常从1.25到1.5不等。在Xintie煤矿工作面有115米长,而且矿业1.6米的高度。上下崩落角是28°和59°,分别。曲线在图4从方程(1),(2),(3)和(4)的影响来说明不同操作参数对回填的宽度。

图4表明回填线性增加的宽度与厚度的增加滞后地层屈服,屈服了岩石的膨胀系数,工作面长度。随着采高的增加,宽度的下部的回填采空区快速增加,峰矿业身高达到1米时,紧随其后的是一个缓慢的下降。自SCS的厚度完全机械化的脸通常大于1 m,它遵循回填往往会增加的宽度与厚度的增加滞后地层屈服,屈服了岩石的膨胀系数,工作面长度和降低增加开采高度在实际挖掘。

3所示。Force-Deformation屋顶上面SCS模型

根据弹性薄板理论,可以视为一个薄板板如果它的厚度最小宽度的比值大于1/100,1/80,1/8到1/5 (18,19]。这个理论适用如果屋顶厚度的比值工作面或冒顶间隔的长度满足这个条件(20.]。

3.1。机械分析屋顶SCS之上

力学分析表明,上覆地层施加的力和提供的支持回填的下方采空区的主要力量,是导致屋顶的主要变形。上覆地层施加的力包含两个组件:一个剪切组件倾斜平行方向和一个正常的组件。由于大倾角,剪切分量大于正常的分量,因此不可忽视的。合理的推断,屋顶的变形的工作面SCS是由剪切和正常负荷的作用。

直角坐标系如图5成立使集成参与解决问题的流程从原点开始。在这个图中,表示屋顶的宽度方向,即。,the breaking length of the roof;表示屋顶的宽度方向,即。,the length of working face in the dip direction;代表了上覆地层施加的力,梯形分布;是煤层的埋藏深度的上端工作面;煤层的埋藏深度seam在低端的工作面;力在屋顶上的上端,定义的 ; 力在屋顶上的上端,定义的 ;和是地层的平均体积力。然后,上覆地层施加的力可以表示为 ;正常的组件是 和剪切组件是 ,与表明煤层的倾角。

下部的工作面采空区,屈服了摇滚回填经历压缩变形的部分影响上覆岩层的运动。协调的上覆地层之间存在相互作用和回填。上覆岩层向下偏转量的增加,回填往往被压缩到一个更大的程度,有更高的承载能力,从而能够提供更大的力量来支持屋顶。

回填机械测试样本表明,在三轴压缩回填的行为可以分为四个阶段:弹性变形、屈服,塑性变形,和塑料的失败,压力在回填不对称以及回填的宽度(21]。如果一个板的挠度相对较小根据标准的small-deflection薄板理论,温克勒的假设反应部队提供的弹性地基单位面积成正比板的挠度在感兴趣的应用(22]。在这种情况下,负载在回填采空区来自屋顶可以表现在以下表格: 在哪里提供的是力回填( ); 相当于弹性常数(MPa / m);和是主要的屋顶的偏转( )。

让屋顶偏转造成的 , 屋顶偏转造成的 ,和表示偏转归因于 。根据叠加原理,总屋顶偏转之和三: 。

3.2。屋顶挠度方程

根据弹性薄板理论,薄板的变形可以忽略时只有一个荷载板平行的平面,但正常和剪切载荷的作用可能会导致相当大的变形(18]。在后一种情况下,薄板首先发生变形引起的正常负荷,和 ,其次是由于剪切变形载荷, 。薄板的变形在剪切和正常负载的情况下可以通过下面的静力平衡微分方程来描述: 在哪里薄板的抗弯刚度,定义的 ; 薄板的弹性模量;板厚度;板的泊松比;板的挠度函数;板上的正常负载;和 , ,和内力作用在薄板在三个内部表面,分别。三个间隔部队可以表示如下: , ,和 。然后,之间的关系 , ,和可以编写如下(14]: 在哪里 和 。解决问题的第一步是计算和 。根据经典弹性薄板理论的解决方案(纳维的解决方案),我们可以假定偏转有以下函数形式: 在哪里是一个待定系数和和任意正整数,可以确定基于级数的收敛性和精度的要求一个特定的项目。矿业在工作面初SCS,屋顶可以看作是有四个夹紧边缘的矩形板和相应的边界条件 和 。很明显,挠度方程(8)满足这些边界条件。假设是唯一的负荷作用于屋顶,然后呢 , ,和 。用方程(8)方程(6)的收益率

回填土的变形方程(5)等于屋顶正常负载所造成的偏差 。同样,屋顶偏转归因于可以写成

以前的机械分析表明,屋顶变形引起的正常负载远远大于剪切荷载引起的(18]。作为第一个方程的右边两项(7)值明显大于后者的三项,后者可以省略三项然后方程(7)可以减少到一个简单的表单:

在图所示的力学模型5显示的位移midsurface薄板的不是边界条件的制约 - - - - - -轴和板的上表面。因此,部队midsurface可以表示如下:

然后,我们有

屋顶剪切荷载引起的挠度变形量可以获得使用解决方案造成的正常负荷:

解决方案精度高不需要在采矿工程问题。当 和 ,这些方程可以提供屋顶偏转与所需的精度估计23]。因此,上面的屋顶的总挠度SCS可以由以下方程描述:

屋顶的力学特性在SCS表明部队在屋顶上的分布是对称的矩形的bimedian屋顶垂直于方向和不对称的倾斜方向。然后,用 在方程(15)和计算的导数将会给 - - - - - -坐标的位置显示最大的屋顶偏转。

4所示。案例研究

4.1。项目概述

Xintie煤矿本节中分析了由黑龙江省七台河市分支LongMay矿业控股集团有限公司50%以上的煤层急斜煤层,具有9557万吨的煤炭储量。seam的主要工作是陡峭倾斜# 49缝,煤炭在哪里提取Zuoqipian工作面5区第一开采水平。这是平均1.6米厚(图6),有一个稳定和结构简单,蘸在53°57°,平均55°。其海拔从-153米到-241米不等,表面上面有海拔+ 219米。煤的硬度测量为0.8。Zuoqipian工作面是平行的倾斜方向缝和罢工的发展方向。面板被开采措施115倾斜方向和310年的罢工的方向。眼前的屋顶,平均厚度4.6米,由粉砂岩和细砂岩。主要的屋顶,平均6.5米厚,由层间的粗粒度的砂岩和细砂岩。主要的地板上,平均7.1米厚,由层间的粉砂岩和细砂岩。从这个工作面煤是削减从高端到低端的 - - - - - -由SGZ-730/320 WD采煤机和运输链板输送机。ZQY2600/12/26液压支持用于控制的屋顶。

4.2。应力分布在屋顶

地层柱状图如图6表明,滞后屈服层屋顶有3.1米厚,立即和地层非常容易屈服有1.5米厚。工作面长度是115米,矿业的高度是1.6米。回填的下部的宽度的脸背后的采空区估计方程(4)是63。

屋顶的第一权重区间主要测量在实际挖掘57米。煤层平均下跌55°和372米深的上端的脸,深460米的低端。主要的屋顶的厚度为6.5 m,泊松比0.25、等效弹性常数30 MPa / m (24]。平均身体力作用在主屋顶, ,25 kN /米³。基于薄板的变形应力关系,正常和剪切应力的分布在主屋顶可以表示如下:

用上述参数值为方程(15),然后求解方程(15)和(16)给压力的分布在SCS上方的屋顶,呈现在图7。此图所示的压力水平表达MPa。

如图7所示,共面压力分布的倾斜方向(方向)显然是不对称的,水平应力方向平行于罢工(方向)是对称的bimedian矩形屋顶垂直于方向。低屋顶部分的剪切应力相对较低是由于提供的支持回填采空区下方。挂在采空区上方的屋顶上部分展品相对较高的剪切应力由于缺乏外部支持。此外,罢工方向的剪切应力大于剪切应力下降的方向。水平应力峰值在三个位置:采空区上方的屋顶部分暂停的中点,前面的墙的上部分面对(额墙),和背后的墙的上层采空区(后墙)。总的来说,剪切应力局部集中在屋顶,对称分布沿工作面长度和不对称分布沿前进方向的脸。最大剪切应力发生在应力集中的中心地区。

4.3。屋顶的变形和断裂分布特征

根据各种失效标准,材料的断裂应该首先发生在最大主应力的位置。主应力之间的关系、正应力和剪应力由下列方程(18]:

这些方程可以用来预测最大主应力和最大切应力的分布。

数据8和9显示最大主应力的分布模式和最大剪切应力,分别在屋顶下的研究。在这些数据中,负值表示压力相反方向的主应力(正值表示压应力而负值表示拉应力)。可以看到数据,最大主应力的集中在上层部分额叶和工作面后方的墙壁。这是拉应力和峰值约为7 MPa。最大压应力集中在屋顶上悬挂的中间部分,山峰在2 MPa。降低屋顶部分经验相对较低的应力由于提供的支持就岩石屈服了。剪切应力大于上屋顶部分比在较低的部分。最大剪切应力的分布上部分额叶墙和后墙中间暂停屋顶部分,达到1.8 MPa。

通常情况下,岩石的抗压强度明显大于其抗拉强度也大于其抗剪强度。再加上屋顶上应力分布的特点,表明的上半部分额叶墙和后墙和老顶的中间部分可能第一次骨折由于紧张或剪切。骨折的三个位置将互连组成 - - - - - -通过地层形成模式和传播下坡的,如图10。图11展示了三维分布的偏转的屋顶Xintie煤矿挠度方程提出了预测的研究。

图11显示的分布Zuoqipian工作面顶板变形是对称的bimedian矩形屋顶垂直于方向。方向倾斜,屋顶的变形主要集中在上层部分的脸。约0.8米,最大变形发生在一个位置39 m上端的工作面。

数据支持压力测量在矿山可以提供关于屋顶变形的定性信息。验证理论计算得到的变形分布,(图5观测点12),编号1到5,提出沿倾斜方向和下坡的压力表安装在每个车站的3组测量岩石压力为一个月。近一个月的岩石压力数据(超过124工作面先进)是用于分析液压支架压力的分布沿着这脸。支承压力分布的模式在这个脸是显示在图13,它只提供了每个车站的平均支持压力。

支持压力的测量表明,工作面沿中间部分支持的有经验的压力最高,其次是沿着上一节。沿工作面较低部分的支持受到最低压力,这是大致相当于在泵站的压力。更大数量的屋顶变形与屋顶支持更高的压力。这种一致性间接证实了顶板变形模式的准确性取决于理论分析。

5。结论

(1)的工作面直接顶在SCS可分为层很容易屈服和滞后屈服地层、岩性和能力的基础上直接屋顶层洞穴。宽度的计算公式背后的下部的回填采空区工作面是派生的。影响回填宽度的主要因素进行了分析。(2)工作面高于SCS的力学模型建立了基于弹性薄板理论。估计屋顶屋面挠度方程得到变形在覆层结合的负载下提供的支持在采空区回填。(3)的案例研究Zuoqipian工作面# 49 seam的Xintie煤矿显示的较低部分屋顶经验相对较低水平的压力而屋顶的上层部分展品高水平的压力。的上半部分额叶和工作面后方的墙壁和屋顶的上层的中间部分显示相对高水平的拉应力和剪切应力。屋顶的裂缝可能形成一个 - - - - - -通过地层形成模式和传播下坡的。(4)根据理论分析结合的实际操作参数Zuoqipian工作面,屋顶的最大挠度大约是0.8米和发生在一个位置39米的上端工作面。屋顶变形理论分析和实测得到的支持压力分布遵循类似的模式,从而证实了理论结果的准确性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认金融支持中国的国家重点研发项目(2018 yfc0604701)和国家重点实验室的独立研究项目的煤炭资源安全开采,CUMT (SKLCRSM18X003)。