传递岩梁假说

1传递岩梁假说一、概述传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骐教授根据现场实测资料提出的。该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。直接顶：在采空区已经冒落的岩层总和，由于它们不能长久地保持向煤壁前方传递力的联系，因此其作用力必须由支架全部承担。老顶：由邻近采场的一部分传递岩梁组成，该部分岩梁的运动对采场矿压显现有明显的影响。老顶岩梁的结构采用了“传递岩梁”的概念(右图)，它包括下列含义：（1）该岩梁是由同时运动(或近似于同时运动)，且对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。（2）该岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区已冒落的矸石之上。由于采场不断推进，采场矿山压力及其显现总是在不断发展变化之中。因此，宋振骐教授建议研究的重点不仅是某一时刻瞬间值的大小，而是矿压的发展变化规律及其与上覆岩层运动的关系。解决了这个问题，则能通过矿压显现推测上覆岩层的运动，预测采场来压的时刻和强度，解决开采设计，生产管理等问题。二、对采场矿压显现有显著影响的岩层组成老顶中每一传递岩梁的厚度包括同时运动岩层的总和。对于整体性较好的上下两个岩层，其同时运动的条件由下式判定：式中，ES、ms——下部岩层的弹性模量和厚度；Ec、mc——上部岩层的弹性模量和厚度；k——考虑上下两层悬跨度差别的系数，强迫挠曲时K=1，自由挠曲时K=1.25。242cCsmEKmES2当工作面足够长时，传递岩梁（简称岩梁）第一次来压步L0为：式中，[σ]——下部岩层的抗拉强度；m——下部岩层的厚度；mk——岩梁的全厚；γK——岩梁的平均容重。岩梁的周期来压步距Ci为：式中，Ci-1——岩梁前一次断裂步距。若Ci-1=0，且令γK=2.5t／m3，则上式为:组成老顶的岩梁数可以通过现场实测来确定。三、工作面推进过程中矿压显现与上覆岩层运动间的关系岩梁传递到煤壁前方x距离处的压力由下式表出：式中，σx——距煤壁x处的支承压力；mi——各传递岩梁的厚度；γi——各传递岩梁的容重；Li——各传递岩梁的跨度；Cix——各传递岩梁传递至该处岩层比例系数；n——作用于该处的岩梁数目。在第一次来压阶段，随着工作面的推进，支承压力及其显现大致分为三个阶段：（1）第一阶段：煤体支承能力改变前式中，σx——距煤壁x处的支承压力；γ——上覆岩层平均容重；Kx——该处支承压力的集中系数，Kx=1+CxL，它随着岩梁跨度L的增加而增加。此阶段煤体上的支承压力分布是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线，如图a所示。kkmmL][2206][8.493211kimCCCiiKKmC3][IxiiiiiCLmmninix11HKxx3（2）第二阶段：从煤壁支承能力开始改变起到老顶岩梁断裂前为止。煤体产生塑性变形，岩梁产生离层。煤体上的支承压力分为两个区，如图b所示。极限状态下塑性区(0≤x≤S。)支承压力分布的表达式为：式中,σy——距煤壁x处的压力值；σc——煤层单向抗压强度；S0——塑性区范围；y0——煤壁压缩值；α——煤层压缩角；C——煤层与顶底板接触面上的粘结力；f——煤层内摩擦系数。（3）第三阶段：从老顶岩梁端部断裂开始至岩梁中部触矸为止。本阶段支承压力分布有显著变化，主要特征是：(1)岩梁断裂时刻，断裂线附近将伴有压力高度集中。(2)岩梁断裂后，以断裂线为界，应力场将明显地分为两个部分，即“内应力场”和“外应力场”，如图c所示。(3)两应力场形成后，随工作面推进，内外应力场的峰值以断裂线为界分别向相反的方向发展，如图d所示。内应力场距离煤壁x处的支承压力σy，近似地表示为：式中，Gx——该处煤层的刚度；Kx——该处煤层的压缩值。内应力场的压力峰值位于压力场的中部，最大应力值σmax为：式中，SA——内应力场支承压力分布范围，m；q——单位岩梁重量；L0——fcysmxfc20)1)((XXyKG)](2)2([30maxAKTAASLPSLq4岩梁断裂后的悬露跨度，m；LK——工作面控顶距，m；PT——采场支架承载能力。可以看出，σmax随煤壁压缩值的增加而增加，随SA的收缩而增加，同时，支架反力对改变临近煤壁支承压力及其分布范围有影响。在进入正常回采阶段后，随着老顶岩梁的周期性断裂，支承压力的分布特征也将发生周期性变化，其变化与发展与初次来压阶段相似。通过巷道支承压力的变化，对采场来压的预报是可行的。四、采场来压时刻支架与围岩的关系老顶来压沉降至某一状态(△hi)时直接顶板给支架的作用力Pz由下式近似表出：式中，mz——直接顶厚度；γz——直接顶平均容重；LK——工作面控顶距；△hi——控顶距处顶板下沉量；fz——考虑直接悬露的支架合力作用点位置差异的力矩系数，由下式表出:式中，Lz——直接顶悬露跨度，为控顶距和直接顶悬顶距之和；Li——支架合力作用点距煤壁的距离。上式称为直接顶的位态方程，它表明要求控制的岩梁位态越低(△hi越大)，则支架承受的作用力愈小。但由于△hi相对工Lk小得多，因此在△hi可能的变化范围内，cos(arctg△hi/Lk)接近1，即一般可将直接顶对支架的作用看成是与位态无关的常数，即Pz=mzγzfz老顶对支架的作用有两种情况：（1）“给定变形”情况：即岩梁的位态未受到支架的限制，顶板下沉量由自身强度和两端支承情况决定。△hi=△hA式中，△hA——控顶距处岩梁最终沉降值。此时支架承受的老顶作用力Pz为：式中，ET——支架刚度。)cos(kizzzzLharctgfmPkizLLnLnLKZzzf222zzzATzfmhEP5上式表明老顶给支架的作用力与支架刚度有关。(2)“限定变形”情况：即岩梁的位态由支架的阻力限定，也即Δhi=ΔhT;ΔhT=ΔhA式中，ΔhT——要求控制的顶板下沉量。此时老顶对支架的作用力可由下式近似地表出:式中，mE——岩梁厚度；mz——岩梁容重；Cz——岩梁周期来压步距；KT——考虑支架承担岩梁重量比例系数，一般按KT=2考虑。如果实测得到采场顶板下沉量△h0及相应支架载荷P0；则可推得采场顶板下沉量控制在△hT时，老顶给支架的作用力PE为：把岩梁控制在要求位态，支架必须的支护能力应是分别控制直接顶和老顶所需要力的总和，即：其中，支架按“给定变形”方案工作时：该工作方案的顶板下沉量和支架承载能力设计范围为：支架按“限定变形”方案工作时：该方案支架的工作范围为：其中，TTEEETAZLKCmKhhKPminminzzzfmPK00TEhhKP00EzzzTPfmPATzzzATzzzThEfmhEfmP)(fmPfmKzzTzzzminTzzzzzzThhfmPfmP00)(TAKTEEEzzzThhLKCmfmPminminmaxmaxminPKfmPTKfmPhhhZzzzzzTAEAzKCKmhLh2/)]1([minKTEEELKCmK2max6显然“限定变形”工作条件下公式表达的支架—围岩关系是一条起于点(△hA，Pmin)，终于点(△hmin，Pmax)的双曲线。五、评价该假说以大量的现场实测资料为基础，从实践中来到实际中去，密切地联系矿山现场生产实际，因此在现场中拥有为数众多的支持者，以传递岩梁的运用和发展为理论基础提出的采场来压预报对于采场顶板管理有重要的指导意义，所建立的岩体结构模型能够对许多矿压现象进行解释，这些都无疑有其合理的因素。该假说尚存在一些不足之处：(1)假说中提出的岩体结构模型的属性比较笼统，不够明确，是否具有普遍性尚待进一步证实．(2)假说中有许多地方是根据现场观测到的现象去推测，需要进一步研究。