大倾角大采高综采面倾向长度尺度效应分析

发布时间：2019-11-22 23:22

【摘要】：以大倾角大采高综采为背景,通过理论分析、相似模拟和现场实测,对大倾角大采高综采基于工作面倾向长度尺寸效应导致的围岩灾变机理进行了分析,研究认为大倾角煤层直接顶和基本顶运动的不协调性使得控顶难度加大,工作面直接顶沿倾向可分为充填稳定段、易溃屈段和滑移段结构,相应矿压显现特征则呈现典型的"弱—强—弱"分布,即溃屈段为矿压显现最强烈区域,也是影响矿压显现的主控因素,对于特定赋存条件大倾角煤层,其工作面长度存在"临界尺寸",工作面支护强度的确定除满足直接顶岩层岩法向方向的自重和部分基本顶载荷外,还需满足上部直接顶滑移产生的附加载荷,其中阻止溃屈段顶板的离层是支护强度确定的主要依据。
【图文】：

(α-β)2(h+m)式中,l为工作面倾斜长度,m;h为直接顶厚度,m;m为工作面割煤高度,m;k为直接顶岩层碎胀系数;α为煤层倾角,(°);β为采空区下部冒落矸石堆积安息角,(°)。当较大倾角条件下开采,割煤高度较大尤其是大采高综采时,一次采出煤体较多,顶板扰动范围大,垮落的采空区矸石大量滑移至下部采空区,一定程度上减缓了工作面下部矿压显现程度,但临近下部的工作面中部一方面承受自身载荷另一方面接受来自工作面上部顶板的滑移载荷,成为控顶薄弱环节。图1大倾角大采高工作面直接顶受力模型Fig．1Immediateroofstressmodelinlargeminingheightanddipangleworkingface2顶板结构力学模型分析若将大倾角工作面直接顶支架控顶区域沿倾向方向视为三边固支、一边简支的矩形薄板,按弹性理论,其下沉曲面微分方程为D4w-Fx2wx2+2Fxy2wxy+Fy2wy2è=N式中,D为薄板弯曲刚度;N为横向荷载;Fx,Fy分别为薄板x,y方向纵向力;Fxy为薄板剪切力;w为板的挠度函数。由于长壁工作面顶板沿倾向长度远大于沿走向方向,因此将大倾角工作面直接顶支架控顶区域沿倾向方向视为“弹性板梁”,将工作面顶板沿倾向按3段式划分,分别为l1(滑移段),l2(溃屈段),l3(充填段),如图1(a)所示。把充填段视为梁的固支端,按弹性板梁弯曲理论[14-15],建立溃屈段顶板(l2)力学模型:d2dx2EId2ydx2è+(T+γhxsinα-FSx)d2ydx2-q1dydx=γ

61,泊松比相似Cμ=1。结合工作面综合柱状图,共模拟煤岩层20层,模型模拟煤层倾角39°,煤厚度0．042m,模型长度2．5m,宽0．3m,垂高1．5m。部分上覆岩层对模型施加的垂直应力采用0．1m×0．05m×0．12m配重铁块加载的方式模拟。采用压力盒进行模型内部应力采集,测点数最多可达100个,采用多通道快速巡检模式,压力盒数据通过静态应变采集系统进行快速汇总采集,巡检1次所需时间小于1s。(1)工作面溃屈段分布。相似模拟工作面长度分别为l=50,80和100m,如图2所示,工作面上部采空区由于垮落矸石向下部移动,位移量较大,工作面下部由于充填作用,位移量较小。工作面长度分别为50,80和100m时,直接顶最大下沉量分别为13,18和22mm,最大下沉点距工作面上巷的距离分别占工作面总长度的40%,22%和16．7%。由图3还可以看出,当工作面长度超过50m时,工作面中部开始出现溃屈,其长度随着工作面长度的增加而增加。图2不同工作面长度的顶板垮落结构Fig．2Cavingstructureofroofindifferentlengthofworkingface(2)工作面倾向荷载特征。将高稳定性应变片埋入煤层底板砂质泥岩中,应变片的间距为0．1m,应变片电阻为(120±0．1)Ω,灵敏系数为(2．08±1)%。使用DH3816静动态电阻应变仪全程、实时监测来压时工作面长度方向荷载变化。监测结果表明,大倾角沿工作面倾斜方向,荷载强度整体呈现“小值—大值—小值”规律,如图4所示。对监测的数据进行分析处理,工作面长度分别为583

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