文摘
复合坚硬顶板上覆煤面是常见的灾难因素导致强烈的地层的行为。解决长期问题只考虑局部因素和大偏差的现状,确定复合顶板坚硬,机械模型,基于弹性力学建立复合硬顶,应力场分布的复合坚硬顶板形成方程和复合硬顶的判断标准。在这篇文章,大山在中国煤矿8101工作面复合硬的研究对象为标准,分析屋顶,并通过相似模型试验结果证实。研究结果提供了一个依据判断和处理复合硬顶。
1。介绍
坚硬顶板上覆斯特普一直是研究重点在矿业领域的安全(1- - - - - -5]。在中国,大约三分之一的煤层复合坚硬顶板上覆,散射在矿业领域50%以上(6),如大同、金城、鹤岗等。矿区已经困扰了坚硬顶板不同程度的问题。层厚度大等特点,高强度,良好的完整性和强大的自动稳定(7- - - - - -9),很难很难屋顶自然下降后与工作面推进的,因此容易形成大面积的屋顶暂停在采空区,带来了巨大的潜在压力的工作面顶板管理的支持(10- - - - - -12]。一旦暂停屋顶突然崩溃,这将导致一个强大的冲击负荷,导致在工作面压架事故,导致灾害像异常排放13),影响气流(14],岩爆[15,16),和煤与瓦斯突出17),构成严重威胁的安全生产工作面(18]。
现在屋顶上努力研究主要是在单层或不同层分开的,它侧重于变形和破坏,灾难机制,控制技术(19- - - - - -23]。然而,相关的研究和现场实践和经验表明,有软弱夹层等低强度的泥岩和砂质泥岩顶板岩层之间的困难,很容易导致同步运动的复合影响双层和多层屋顶,形成复合硬屋顶(24,25]。这些化合物的存在困难的屋顶使地层在工作面加强行为。
复合顶板坚硬,复合关键层及其复合效应是最早提出和定义的钱等。26,27),复合岩层的力学条件和相关的基于材料力学公式得到。毛等。28]研究了复合效应引起的硬顶和复合关键层的断裂跨度计算的有限元方法。刘等人。29日)进行了地震响应的实验研究大跨度和无列地铁车站在复合地层和发现upper-soft和lower-hard复合地层的地震响应有很大的影响的模型结构和土壤。熊等。30.]分析了复合顶板的结构稳定性基于层次分析法(AHP)和仿真测试,表明的递减顺序影响这些因素的复合屋顶结构如下:地层岩性、地层厚度、地层,地层位置和层间粘结力。
在上面的研究中,复合顶板坚硬的识别方法主要包括理论分析、数值模拟和模型试验相似。其中,传统的理论判断方法大多是基于材料力学,简化了模型并忽略某些因素(如顶板跨度和上覆荷载);因此,它在很大程度上背离了现实。数值模拟可以帮助分析不同因素,但参数设置对结果有巨大的影响,这很容易导致错误的最终判断复合硬顶。的周期长度和高成本相似模型试验不可能考虑多个影响因素。然而,复合顶板坚硬的应力场分布方程可以通过应用弹性力学研究了复合硬屋顶,可以考虑综合因素的复合坚硬顶板和准确识别它们。
丰富复合顶板坚硬的理论,提高识别精度,本文基于弹性力学,建立了复合顶板坚硬的判断标准。复合硬顶在大山煤矿8101工作面采用的判断标准来判断,判断结果是通过相似模型试验证实。
2。基于弹性力学的方法来识别复合硬屋顶
有多层屋顶之间的复合硬屋顶和煤层,没有影响化合物的形成和运动困难的屋顶。因此,多层复合硬屋顶和煤层之间的屋顶可以简化为一层。与此同时,有多层屋顶2 #坚硬的岩石,也应用负载的2 #硬摇滚等价。所以多层屋顶在2 #硬摇滚可以离开,取而代之的是一个负载。基于上述,复合硬屋顶覆盖采场的模型构建。如图1,该模型包括煤层和四个岩层(层下,1 #硬摇滚,软夹层,和2 #硬摇滚)覆盖它。1 #硬摇滚和2 #坚硬的岩石坚硬顶板岩层的厚度,和他们的强度明显高于软夹层。当1 #硬摇滚的同步运动,软夹层,2 #硬摇滚,复合硬屋顶形式。
2.1。组合截面的中性轴的识别
复合硬屋顶是建立的分析模型。如图2,由三层组成的复合矩形截面梁的材料,模型1 #硬摇滚,软夹层,2 #坚硬的岩石从底部到顶部。岩层厚度和弹性模量是假定 , , 和 , , 中性轴软夹层,中性轴和截面之间的距离在1 #坚硬的岩石 ,和上面2 #坚硬的岩石 , 。单位面积的垂直荷载由2 #坚硬的岩石 。
根据静态关系可以得到:
2.2。复合硬屋顶的力学模型和分析
在弹性理论中,正常的压力 , 和剪切应力在组件的压力可以用应力函数表示:
其中,直接造成的负载,不改变x;相反,它的功能y。
因此,可以通过应力函数
压力方程应当符合一致的方程,并对平面问题是一致的方程
用公式(3)一致的方程,
二次方程的系数和自由条款都是零,这意味着
为了满足上述要求, , 和可以认为:
集成 , 和在应力函数 ,
然后,应力可以表示为组件
基于对称的坐标轴和连续性条件,可以简化为压力组件
上的应力场,中性轴的两边是不同的,因为在中性轴以下压力区,是拉伸区域。的应力场可以表示为两个部分
拉伸区域: 。
压力区: 。
根据边界条件,方程(12)可以简化为
当 , 和常数在价值和满足拉伸的应力方程和压力区,因此, , 。
模型的物理方程可以表示为
在上面的公式中,岩层的泊松比。
几何方程可以表示为
替换组件压力到物理和几何方程,
结合对 和 ,
替换和成 ,
然后,和可以设置为
当用和为位移表达式,因此,
用位移边界条件转化为位移表达式,
根据把定理,
基于上面的分析,可以建立以下方程:
的方程,
因此,不同组件的压力的拉力和压力区域可以表示如下。
拉伸区域: 。
压力区: 。
2.3。复合硬屋顶的判断标准
化合物难以成形的屋顶的前提是没有剪切移动之前同步运动。也就是说,剪切应力截面上的任意点不得超过相应的剪切强度极限。表达式的剪切应力,剪切应力的最大值在复合顶板坚硬位于自然轴层。中性轴是假定在中间软夹层。
在拉伸区 ,1 #坚硬的岩石之间的剪切应力和软夹层的层理面表示为
方程(27)显示,当 ,1 #之间的剪应力硬岩和软夹层层面达到它的最大值:
同样,在压力区 ,2 #之间的剪应力硬岩和软夹层层面达到最大值时 :
表达式的剪切应力,剪切应力会得到小的增加 。当 ,剪切应力为0,最小值。当 (中性轴层),剪切应力达到最大值:
它表明,在剪切应力的影响,岩石地层界面和中性轴的位置是最易受剪切破坏复合硬顶。
剪切强度之间的层理面1 #硬摇滚,2 #硬摇滚,软夹层和 ,软夹层的抗剪强度 。然后,复合硬屋顶的形成条件
3所示。复合硬屋顶和识别分析
3.1。上覆地层的分布它山煤矿8101工作面
位于山西省大同市,它山煤矿是一个巨大的煤矿煤炭年产量超过2000万吨。如表所示1,有六个坚硬顶板岩层的上覆地层工作面8101。其中,1 #坚硬顶板和2 #之间艰难的屋顶是泥岩层,使化合物难以成形的屋顶。然而,没有条件复合顶板坚硬如从2 #硬顶到6 #屋顶是砂岩层,岩性的略有不同。因此,分析之间的复合条件困难的屋顶进行1 #坚硬顶板和2 #硬顶。
3.2。识别岩石的抗剪强度和床上用品的飞机
砂岩和泥岩样品收集屋顶的8101工作面然后加工成40毫米×40毫米×40毫米立方在实验室标本。在那之后,岩石剪切试验在不同法向应力条件下进行电液伺服岩石剪切试验机。结果如表所示2。
图3显示抗剪强度之间的关系和砂岩和泥岩样品的正常压力。有一个近似的线性正比关系岩石的抗剪强度与法向应力。通过处理测试数据,砂岩为12.065 MPa的凝聚力;内摩擦角是30.77°。砂岩抗剪强度的计算方法 。泥岩为2.4803 MPa,的凝聚力和内摩擦角是46.44°。砂岩抗剪强度的计算方法 。
张,学者从中国矿业大学和技术,结合实验室试验和数值实验研究泥岩和砂岩层的剪切特性的飞机和得出结论,泥岩和砂岩的抗剪强度计算方法应当水平层理的飞机 (31日]。
3.3。复合顶板坚硬的识别
1 #和2 #的物理和力学参数很难屋顶和软夹层如表所示3。
极限跨度的拉伸断裂发生在单一的坚硬顶板岩层
在上面的公式中,是岩石厚度,抗剪强度的岩层,是自重荷载(包括自重)的所有控制地层的屋顶。
可以通过以下公式计算:
在上面的方程中,地层的弹性模量我;层的厚度吗我;是地层的体积力我MN / m³;n屋顶是地层的数量控制的困难。
计算表明,控制地层上覆1 #硬顶延伸5.24米泥岩,控制范围为17.36 m。的自重荷载(包括自重)1 #坚硬顶板的控制地层为0.434 MPa。因此,1 #硬顶的极限跨度84.3米时,独自行动。
1 #∼2 #的垂直压力困难的屋顶是大约10 MPa,然后,砂岩、泥岩、剪切的优势和床上用品的飞机18.02 MPa, 13.00 MPa,分别为3.23 MPa。
计算表明,中性轴的位置= 16.91 m的三层岩层在软夹层。的跨度84.3米,1 #的抗剪强度硬屋顶和软夹层为2.000 MPa, 2 #的屋顶和软夹层,2.173 MPa。中性轴的最大抗剪强度层理为2.174 MPa。
极限跨度的计算表明,1 #硬顶,1 #硬顶之间的最大剪切应力和软夹层1 #坚硬顶板和软夹层之间实际上是不到层面的抗剪强度。此外,中性轴层的最大剪切应力小于泥岩的抗剪强度。同步运动将导致形成的复合顶板坚硬努力1 #屋顶和2 #屋顶。
4所示。相似模型试验变形和断裂的复合硬顶
4.1。测试方案设计
以下4.4.1。测试设备和相似的比例
这个测试是由应用二维相似模拟试验的电液伺服系统。测试系统的帧尺寸是长×宽×高= 3000毫米×300毫米×2000毫米,而测试模型尺寸长×宽×高= 2600毫米×300毫米×2000毫米。按照相似准则,几何相似模型试验的相似性比1/150,时间相似比率1/12.25,岩层大导热相似比率1/1.5,和强度相似比例1/225。
根据相似比的时候,1.96 h相似模型试验工作面相当于一天。每天6到8刀割煤,和他们每个人都有一个0.8米的深度。7刀割煤组的模型试验相似,和总深度应每天5.6。根据几何相似比,开挖长度是4厘米的每1.96 h模型试验相似。
4.1.2。类似的材料和配比
类似的材料主要是由骨料(河沙、滑石、云母粉等)和水泥(碳酸石膏、石灰、水泥等)。河沙用于骨料和水泥石膏,与石灰碳酸盐补充道。云母板和云母粉是分层岩石阶层之间传播。根据煤的物理和力学参数和岩体上覆工作面及其相似比,确定相似材料的配比,如表所示4。
卫兵板前后的模型完成后在三天内出院。与此同时,反射板应安装类似的材料并不是完全硬化。7到8天之后,相似材料模型的力学性能相对稳定,可以进行模拟开挖。在开挖期间,40厘米的煤柱两侧的模型是保留的。
4.2。测试结果分析
根据岩层的分布8101工作面和相似材料的配比,8101工作面是建立的相似材料模型,如图4。
与工作面推进,分层断裂的上表面开始出现在2 #坚硬顶板和成长努力扩展在2 #屋顶随着跨度的增加。同时,同步弯曲沉降发生在一定程度上的三层岩层(每天在家1 # #硬屋顶和软夹层)。然而,明显分层断裂之间不会发生1 #和2 #屋顶和软夹层。当工作面发展到117.6米,即时同步失稳和破坏发生在三层,形成一个复合硬顶,这对应于理论分析。这是第一次的复合坚硬顶板断裂,如图5。
图5表明很多交叉分布的垂直裂缝中存在大量复合硬顶。他们的存在是由拉应力引起的沉降和旋转弯曲变形过程中复合硬顶。水平和分层骨折很少发生在倒下的散货(包括岩层内部和层面)的复合硬顶,这解释了为什么一些剪切失败发生在复合坚硬顶板的变形与破坏过程和破坏模式主要以拉伸制作的形式。
随着工作面,散装的砖砌的梁结构2开始失败,整个紧迫的采空区的充填体和分离完全的复合顶板坚硬并没有下降。复合硬顶没有下降导致悬臂梁。如图6工作面移动到162.4时,会发生拉伸制作的上端支撑的悬臂梁,使整个身体旋转,向采空区变形,导致“砌砖梁的结构。“这是第一个周期复合顶板坚硬的失败,失败跨度为44.8米。周期性的过程中失败的复合硬顶,没有明显的横向断裂发生在岩层内部和床上用品的飞机,和失效模式主要以拉伸制作的形式。
相似模型试验与理论分析是一致的,这证明了复合顶板坚硬的判断标准基于弹性力学是可靠的。
5。结论
(1)应用弹性力学理论,构建复合坚硬顶板的力学模型,得到了方程的应力场分布。根据剪切应力的分布特征和床上用品的飞机的最大剪切应力,确定复合顶板坚硬的判断标准。(2)根据确定的判断标准,8101年工作面复合硬顶是在大山审判。结果表明,最大剪切应力之间的1 #和2 #屋顶和软夹层,分别还不到床上用品的飞机的抗剪强度,所以是中性轴的最大剪切应力层相比,软夹层的抗剪强度。会发生同步运动的结果形成复合顶板坚硬的1 #和2 #屋顶。(3)相似模型试验验证复合顶板坚硬的判断结果。和同步复合坚硬顶板将遭受不稳定和崩溃。打破跨度相当大,这将带来巨大的冲击载荷,容易引起强烈的地层的行为。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
夏王海阳和Binwei导致发展的数学模型。香陈、周Yanmin杰Wang Shulei赵,古时的刘导致设计相似模型试验方案并进行测试。本文作者是王海阳和香。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。
确认
本文是由中国国家自然科学基金共同支持(国家自然科学基金委)(没有。51804058)和重庆市教委科学技术研究项目(批准号KJQN201800729)。