厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据及跨距计算

厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据及跨距计算 厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据及跨距计 算 第23卷第5期 Vl01.23NO.5 辽宁工程技术大学学报 JournalofLiaoningTechnicalUniversi 2004年10月 Oct.2004 文章编号:1008—0562(2004)05.0577.04 厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据及跨距计算 侯忠杰,张杰 (西安科技大学能源科学与工程学院,陕西西安710054) 摘要:在分析组合关键层有关参数的基础上,推导出了组合关键层初次来压步距和周期来压 步距的计算公式.由于关键层理论和 组合关键层理论的载荷和弹性模量不同,而且两者来压步距的计算公式也不相同,因此以关 键层理论计算浅埋煤层矿压参数必然会出 现很大的误差.大柳塔1203工作面按照关键层计算得出的顶板来压步距与实际相差很大, 而按照组合关键层计算得出的顶板来压步距 与实际基本吻合.以组合关键层理论计算的矿压有关参数与实测一致,这证明对于地表厚松 散层浅埋煤层,应采用组合关键层理论. 关键词:浅埋煤层:组合关键层:来压步距 中图分类号:TD31文献标识码:A Criterionofbrokenandlimitstridecalculationinshallow coalseamcovedwiththicklooselayer HOUZhong-jie,ZHANG-jie (CollegeofEnergyScienceandEngineering,XianUniversityofScienceandTechnology, Xian710054,China) Abstract:Combinatorialkeystratumisthedevelopmentofkeystratuminshallowcoalseam,ithastheall propertiesofkeystratumanditself’Sproperty.Basedontheanalyzingofparameteraboutcombinatorialkey stratum,theformulaeofcalculatingtheroofweightingstepisgiveninthisarticle.Becausetheloaderandt he modulsofelasticityexistspartdifferenceinkeystratumandcombinatorialkeystratum,andtheformulaeof calculatingtheroofweightingstephasdifference,Sotheremustbeexistingbigerrorifweusetheformulae of keystratumtocalculatetheshallowcoalseam’Sweightingparameter.Accordingtokeystratumtheorythe1203 faceinDaliutaminingcoalroofweightingstephasbigdifferencebetweentheobservationvalueandthere al value,butaccordingtocombinatorialkeystratumtheface’Sroofweightingstepconsistwiththeobservat ion value.TheconsistencyprovedtheformulaeofcombinatorialkeystratumisCorrect,shallowcoalseamco vered withthicklooselayershouldusethetheoryofcombinatorialkeystratumisproved. Keywords:shallowcoalseam;combinatorialkeystratum:roofweightingstep 引言 我国西部地表厚松散层浅埋煤层煤炭储量极 为丰富,相似模拟实验研究和开采实践表明该条件 下煤层项板形成组合关键层,组合关键层上影响至 地表下到采场支架.提出关键层理论目的是想把采 场矿压,覆岩移动和地表沉陷研究统一起来,而浅 埋煤层组合关键层是把这三者统一的最好例证,因 此深入研究组合关键层理论在浅埋煤层中的应用 性十分重要.组合关键层固然具有关键层的全部特 性,但它有其自身的特殊性.本文主要从组合关键 层与关键层在计算项板破断距的差别讨论其在浅 埋煤层中的应用性. 1主关键层和组合关键层判据 根据文献[1】,如采场上覆岩层中有m层岩层, 收稿日期:2003.10.29 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50074023) 作者简介:侯忠杰(1942一),男,陕西铜川1人,教授,博士生导师.本文编校:孙树江 578辽宁工程技术大学学报第23卷 第1层,第,l+1层为坚硬岩层(,l?),则第斛1为组合梁厚度;与岩梁数目有关的系数见表1 层岩层成为主关键层必须满足刚度条件(1)和强 度条件(2) q1(X)I州<q1(X)I(1) 上1<L2(2) H, 式中ql()l=(1hi3?p.gh)/?h,L1和i=1,i=1 L分别为第1层岩层和第n+l层岩层的破断距. 地表厚松散层浅埋煤层如满足文献[2,3】所述的 判别条件式(3),则第1和第n+l层岩层形成组合关 键层. 表1层数影响系数值 Tab.1coefficien1l,’svalueinfluencedinlayeres 组合梁岩层数目系数 1 4或大于4 1 0.75 O.7 O.65 固支梁最大弯矩M=qL2/12,于是梁两端的最大 拉应力 一 I+1和弹性 模量分别如公式(4)和式(5). m,m qz()lEzhz3(?Pghq)/?Eh(4)i=z,i=z 1/Ez=[1/(hl+h2-t-…+肘1)】 同理,由于悬臂梁最大弯矩M=qL/2,则组合 关键层周期来压步距为 3计算实例 L,=h,(8) 神府大柳塔煤矿1203工作面组合关键层及载 荷层有关参数见表2,其计算所需的相关参数见表 3,代入判断公式(3)可得 (1/E1+2/E2+../E)(5)×旱_().5l5<1 2关键层和组合关键层破断距 2.1初次来压步距 因关键层初次来压步距L为【】 ,=h2~t/q.(6) 由于组合关键层为一组合岩梁,而组合岩梁的 断面系数小于整体岩梁,即=w-- 譬. 式中,W分别为组合梁和整体梁的断面系数;h 可知,1203工作面覆岩中两层坚硬岩层和其问 的软岩层形成了组合关键层,其顶板初次来压步距 应由公式(7)计算.因组合关键层(表2中的1—5 层)总厚度h值为13.4m,组合关键层岩层抗拉强度 o,取第4,第5层岩层的抗拉强度,即o,=3.03 MPa,不考虑中间夹层的抗拉强度是因为最大拉应 力在组合关键层第4,5岩层处,岩梁数目相关系 数查表1为0.65. 第5期侯忠杰等:厚松散层浅埋煤层覆岩破断判据及跨距计算579 表21203工作面组合关键层及载荷层有关参数 表31203工作面组合关键层相关值计算 Tab.3thecorrelationcalculationvalueof1203faceSkeystratum 由公式(5)和表2,可求得组合关键层弹性 模量为29.9GPa.根椐所求得组合关键层弹性模量 和公式(4)计算得组合关键层载荷为0.88MPa, 于是1203工作面以组合关键层理论计算的初次来 压步距为 L=13.4. 2x3.03x0.65 : 28_3(m)u.88…, 由表2,表3可知1203工作面以组合关键层理 论计算顶板初次来压步距为28m.如果不按组合关 键层理论计算,而按关键层理论计算,则方法如下: 由表2可知,第1层和第4层坚硬岩层为关键 层,自第1层坚硬岩层开始依次向上计算关键层上 载荷为 ql()Il=0.0528MPa; ql()I2:O.0576MPa,; ql()I3=O.0613Mpa; ql()I4:O.0380Mpa. 可看出,ql()I4<ql()I3,则第1层关键层 上的载荷即为ql()I3:0.0613MPa,,根据公式 (6),可得其初次来压步距厶为24.6m.自第4层 坚硬岩层开始依次向上计算的关键层上的载荷为 q4()I4=0.0975MPa: q4()I5=0.118Mpa; q4()I6:O.144Mpa; q4()I7,8=0.508Mpa. 则第2层关键层上的载荷即为q4()I7,8: 0.508MPa,根据公式(6)可得其初次来压步距L 为l3.5m.由于L,<厶,所以第1层关键层为主 关键层.但不能否认为上面计算的第1层关键层即 主关键层初次来压步距就是顶板的初次来压步距, 因为由上面计算可知,第2层关键层破断距l3.5m, 也即当顶板跨度大于l3.5m后工作面覆岩全厚都 作用到第1层关键层上,其第1层关键层上的载荷 不再是0.0613MPa.如果认为顶板跨度大于l3.5m 后第2层关键层和其上的岩层因有第1层关键层的 支托仍有一定的自承能力而未破断,但将其载荷传 递到第1层关键层,于是第1层关键层的载荷还应 由第4层岩层继续向上计算 ql()I5=0.0387MPa; 580辽宁工程技术大学学报第23卷 ql(X)l6=0.0425Mpa; ql(X)=O.101MPa. 说明第1层关键层上的载荷应为q1()I7, 8= 0.101MPa,将主关键层相关值代入公式(6)得其 初次来压步距为l9.2m. 如果认为项板跨度大于l3.5m后第2层关键层 和其上的岩层破断已无自承能力,将其载荷全部传 递到第1层关键层上,于是计算第1层关键层的载 荷时视第4层岩层之上的岩层为散体,其值为 0.7017MPa.将主关键层相关值代入公式(6)得其 初次来压步距为3.3m. 可知1203工作面以关键层理论计算的项板初 次来压步距为19m或3.3m. 1203工作面实测的初次来压步距是27.4m,显 然对于地表厚松散层浅埋煤层,以关键层计算,不论 视第2层关键层之上的岩层在顶板跨度大于l3.5m后 为不能全部承受其上岩重的连续体还是散体,其计算 的初次来压步距均与实际相差很大,只有以组合关键 层理论计算的初次来压步距才符合实际. 同样,1203工作面以组合关键层理论计算的周 期破断极限跨距为 L=13.4. /3o~,.:l1.6(m)2×0.88 1203工作面实测的周期来压步距是12.0m, 而以关键层公式计算的周期破断距却为7.8m和1.3 m,可知只有以组合关键层理论计算的周期来压步 距才能与实测值一致. 4结论 (1)利用关键层来压步距公式可推导出组合 关键层初次来压步距和周期来压步距的计算公式. (2)组合关键层与主关键层来压步距计算公 式不同,组合关键层计算公式要考虑一个层数影响 系数. (3)通过实例计算,证明组合关键层来压步 距计算公式与实测值一致,对于地表厚松散层浅埋 煤层,应采用组合关键层理论. 参考文献 【1]钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究【J】.煤炭学 报,1996.21(3):225—230. 【2]侯忠杰.浅埋煤层关键层研究【J】.煤炭学报,1999,24(4):359-363. 【3】侯忠杰.地表厚松散层浅埋煤层组合关键层稳定性分析….煤炭学 报,2000,25(2):127.131. 4侯忠杰.组合关键层理论的应用研究及参数确定【J].煤炭学报, 2001,26(5):611-615. 【5】5钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制(修订本)【M].北京:煤炭工 业出板社,1991.90-93. 【6】6淮南煤炭学院.井巷设计【M].合肥:安徽人民出版社,1976.71—82. ######### 待发表文章 摘要预报 ######### 煤矸石淋溶重金属对地下环境污染风险评价 薛强,梁冰,冯夏庭,刘建军 摘要:通过分析重金属污染物在地下环境系统中迁移转化特征,建立了土壤水分运移模型和重金属 污染物传输风险评价模型,并分别采用隐式差分和算子劈裂方法对模型进行数值求解.数值模拟结果表 明:重金属镉在地下环境系统中的浓度范围将沿地下水水流方向逐渐扩展,同一点位的浓度值呈逐渐增 大的趋势,并且粘性土壤比砂性土壤对重金属具有较强的截留能力.不仅为煤矸石在地下环境系统中迁 移的动态规律,预测煤矸石堆放在周围可能造成的污染规律和污染程度提供理论指导,而且还可为对矿 区开采前的与管理以及环境评价提供决策依据.