高位硬厚岩层弹性基础边界下破断规律的演化特征

发布时间：2019-09-13 05:57

【摘要】：以某矿首采工作面上覆高位岩浆岩条件为背景,根据高位硬厚岩层的空间结构及边界基础特征,建立了高位硬厚岩层弹性基础支承下的Winkler基础正交梁力学模型,推导出高位硬厚岩层走向和倾向的弯矩及挠度表达式,得到了特征弯矩及其位置的计算式,分析了特征弯矩在工作面推进过程中的演化规律.研究表明:高位硬厚岩层在边界基础支承下,走向及倾向的最大弯矩和起始破断位置在采空区中部,具有边界基础变形效应.初次破断步距随工作面长度的增加呈现似"W"型变化趋势,并分为稳定、步距变化和步距稳定3个阶段;随弹性基础特征参数β的增大呈现单调递增的变化趋势.采用弹性基础正交梁理论可预测高位硬厚岩层的破断步距,并通过工程实例验证了考虑边界弹性基础变形效应是合理的.
【图文】：

倾向剖面,基础板,岩层,沿走向

下方出现较大的离层空间，且上部岩层运移受其控制，其受力状态和变形特征呈现岩板的特性．由于高位硬厚岩层在采空区外围得到下部岩层及煤体的支承，且煤岩层支承体的强度及刚度相对较低，，具有明显的可变形性，在上覆岩层压力作用下，支承体随之发生弹性变形，组成了Ｗｉｎｋｌｅｒ基础［１０，１５－１６］．因此，根据上覆硬厚岩层的结构特征和受载特点，在硬厚岩层破断前，其结构可以简化为覆岩压力作用下的Ｗｉｎｋｌｅｒ基础板．硬厚岩层Ｗｉｎｋｌｅｒ基础板沿走向和倾向剖面结构，如图１所示．图１硬厚岩层Ｗｉｎｋｌｅｒ基础板沿走向与倾向剖面结构Ｆｉｇ．１Ｈａｒｄｔｈｉｃｋｓｔｒａｔａｗｉｎｋｌｅｒｐｒｏｆｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｌｏｎｇｓｔｒｉｋｅａｎｄｔｅｎｄｅｎｃｙ４９１

弹性基础梁,弹性基础,梁模型

中国矿业大学学报第４５卷由于Ｗｉｎｋｌｅｒ基础板的求解比较复杂，且煤岩体力学性质具有非均质性，力学参数具有较大的离散性，考虑到硬厚岩层周边的力学环境也是复杂的，因此将力学模型进一步简化．借鉴板的Ｍａｒｃｕｓ简算法，将板简化为分条的梁［１７］，在板中部沿走向和倾向截取１对单位宽度相互垂直的梁，组成正交梁，建立起Ｗｉｎｋｌｅｒ基础正交梁力学模型，如图２所示，工作面上覆硬厚岩层弹性基础板简化为弹性基础正交梁模型．图２弹性基础正交梁模型Ｆｉｇ．２Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｂｅａｍｍｏｄｅｌｕｎｄｅｒｅｌａｓｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ１．２硬厚岩层走向弹性基础梁分析硬厚岩层初次破断前，可视为四边弹性基础支承的悬板，在悬板中心取２条单位宽度（Ｂ＝１ｍ）且正交的弹性基础梁，两者之间存在一个相互作用力Ｒ．在上覆线性载荷及集中力共同作用下，将引起弹性基础梁的弯曲变形．硬厚岩层破断前沿煤层走向的弹性基础梁模型如图３所示，由对称性原理，取硬厚岩层左半部分进行研究，工作面煤壁前方可视为均布载荷ｑ′ｘ、端部剪力Ｑｘ０及端部弯矩Ｍｘ０共同作用下的平面应变半无限长弹性基础梁，煤壁后方为均布荷载ｑ″ｘ、集中力Ｒ／２、中部弯矩Ｍｘｚ共同作用下的悬臂梁．图３硬厚岩层走向弹性基础梁模型Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｉｋｅｂｅａｍｍｏｄｅｌｕｎｄｅｒｅｌａｓｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｔｈｉｃｋｓｔｒａｔａ根据Ｗｉｎｋｌｅｒ基础梁理论，弹性基础的垂直方向位移与压力线集度成正比［１８］，即ｐ（ｘ）＝－ｋｕ１（ｘ），（１）
【作者单位】：山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地;
【基金】：国家自然科学基金项目(51374139,51574155) 山东省自然科学基金项目(ZR2013EEM018) 山东科技大学科研创新团队支持计划项目
【分类号】：TD32

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