长壁工作面开采矿压理论研究|工作面开采顺序

来源:编程开发 发布时间:2019-05-15 03:58:16 点击:

  摘要: 在结合大量文献基础上,对长壁工作面开采矿压理论进行了研究。具有一定的历史地位和代表性的矿压理论主要包括掩护拱理论、掩护梁理论、薄岩板理论以及关键层理论。掩护拱理论包括自然平衡拱和压力拱理论;掩护梁理论包括预成裂隙梁理论、悬臂梁理论、弹性基础梁理论、铰接岩块理论、砌体梁理论和传递岩梁理论。并对理论的优点和缺点进行了阐述。研究结果对煤矿生产实践具有重要的指导意义。
  关键词: 矿山压力; 矿压理论; 长壁工作面
  ABSTRACT: On the basis of a lot of literature, the coal mining theories on long wall coalface are studied. the representative of the mine pressure of having a certain historical status and theories mainly includes cover arch theory 、cover beam theory、thin plate theory and the key strata theory. Natural balance arch theory and pressure arch theory are included in cover arch theory; preliminary crack beam theory, the cantilever beam theory, the elastic foundation beam theory, articulated rock theory, masonry beam theory and transfer YanLiang theory are included in cover beam theory. And the advantages and disadvantages of the theory are discussed.The results of the study have great significance to coal mine production.
  Key Words: underground pressure; underground pressure theories;long wall coalface
  中图分类号: TD21文献标识码:A文章编号:
  引言
   在未受到人类工程活动影响的地下岩体称为原岩体。原岩体在地壳中各种力的作用下处于一种平衡状态。当进行开进行采矿作业或掘巷道时,破坏了原来的应力平衡状态,从而引起岩体内部应力的重新分布。当重新分布后的应力超过煤、岩的应力强度时,使巷道或采煤工作面周围的煤、岩发生破坏,并向已采空间移动,直到再次形成新的平衡状态。采动后作用于围岩中和劫掠物上的力,称为矿山压力。
  国内外专家学者在矿山压力理论研究领域进行了长期大量的研究,相继提出了许多理论,其中具有一定的历史地位和代表性的矿压理论归纳为以下四类:掩护拱理论、掩护梁理论、薄岩板理论以及关键层理论。
  一、掩护拱理论
  该理论的主要观点是采动形成的工作空间处于“拱结构”的掩护之下,由拱承担上覆岩层的重量。通过拱脚传递到煤层和岩体上的矿山压力及由此在煤岩体中形成的应力造成岩体破坏和拱结构向外扩展。工作面布置的支架仅承受拱结构内己破坏岩层的重量。该理论又分为自然平衡拱和压力拱理论。
  1.自然平衡拱理论
   1897年前苏联B.里特捷尔教提出用变分法找出所求函数确定拱的数学计算方法,并得出拱的界面为抛物线。1907年前苏联学者M.M.普罗托季亚科诺夫提出了普氏平衡拱,认为已开挖地下空间的上覆岩层将逐步自然冒落成拱型,拱的高度h是巷道宽度b和岩体强度f的函数。
  自然平衡拱理论主要对工作面在初次来压阶段随着工作面的推进而增加进行了阐述,但是对工作面周期矿压显现无法做出解释。另外,该理论没有从围岩结构稳定与破坏及围岩应力重新分布的角度来揭示自然平衡拱的形成机理,没有深入研究围岩结构与支承压力的演化过程,片面将拱内岩石作为载荷而忽略其可以作为承载体。
  2.压力平衡拱理论
   德国学者V.海克和R.日特采尔特及前苏联学者E许普鲁特压力拱跨越整个工作面,前后拱脚分别坐落煤壁前方受采动的煤体和采空区后部己冒落的研石上。压力拱将工作面前后上覆岩层分为三部分: 工作面后方采空区压力拱后脚作用的高压区;工作面推进前方压力拱前脚作用的高压区;工作面工作空间附近的低压区。
  该理论主要解析了工作面围岩支承压力的存在,找出了工作面支架上的压力远小于上覆岩层重量的原因,纠正了自然平衡拱关于平衡拱随工作面推进而不断扩大的错误理论。但是该理论在压力拱是无法确定边界的模糊概念上没有做出解释,在压力拱与岩层运动演化间的关系上没有进行阐述,进而无法对工作面周期来压现象进行解释等,另外在工作面支架与围岩空间的力学关系上也是模糊的。
  二、掩护梁理论
   该理论主要认为工作面处于一系列岩梁的掩护之下,在冒落前这些岩梁将自身及上覆岩层重量传递到前后两端支承岩体上并形成支承压力,工作面支架压力现象的根源是岩梁的破断沉降。
  1.预成裂隙梁理论
  1947年比利时学者A.拉巴斯提出在工作面前方支承压力的作用下,上覆岩层将不再保持连续性,成为非连续岩层。工作面处于这一系列裂隙岩层的掩护下。预成裂隙梁丧失抗拉能力,靠水平挤压力产生的摩擦维持平衡,当水平挤压力减小或消失,预成裂隙梁将失稳并垮落。
  该理论揭示了煤层及其顶板超前支承压力作用下产生预成裂隙的机理。但是没有将该机理与悬臂梁的周期性折断有机结合,无法解析采动覆岩的周期来压规律;没有区分煤层赋存、地层结构及开采条件;无法确定工作面支架需控的围岩范围,在工作面矿压的定量计算问题上没有明确的认识。
  2.悬臂梁理论
  1928年由德国学者W.Hack和GGiuitzer提出顶板岩层是一种连续介质,垮落后可以看成一端固定在煤壁前方的悬臂梁。当顶板由几个岩层组成时,形成组合悬臂梁。工作面周期性来压现象正是由这些悬臂梁随工作面推进有规律的折断和冒落造成。
  该理论对工作面出现的周期性来压现象及工作面前方出现的支承压力进行了解释,
  但是按照该理论计算所得到的顶板下沉量和支架载荷与实际测得的数据严重不符,未查明开采后上覆岩层活动规律。
  3.弹性基础梁理论
  波兰学者基针对覆岩下沉及工作面矿山压力分布提出了工作面覆岩均布载荷的弹性基础梁模型。该理论认为,长壁垮落法开采条件下,顶板下沉从煤壁前方某处开始,在煤壁后方采空区某处逐渐趋近于最大下沉值,煤层和顶底板岩层的稳定性以及煤层厚度、赋存状态、采空区冒落充填程度决定采动影响范围。M.鲍莱茨基基于弹性基础梁弯曲理论,推导了煤层上方和采空区上方顶板岩层的下沉方程和垂直应力方程 [1-6]。
  4.铰接岩块理论
  1954年前苏联学者T.H.库茨涅佐夫提出工作面支架的压力显现由已冒落的m层岩层和尚未冒落呈铰接状态的m层以上岩层运动决定。

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