工作面关键层判别及破断距计算

4.29804工作面覆岩关键层判别方法关键层判别方法分为以下3个步骤进行：第1步，由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置。此处的坚硬岩层非一般意义上的坚硬岩层，它是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，而不与其下部岩层协调变形的岩层。假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第m层岩层与之协调变形，而第m+1层岩层不与之协调变形，则第m+1层岩层是第2层坚硬岩层。由于第1层至第m层岩层协调变形，则各岩层曲率相同，各岩层形成组合梁，由组合梁原理可导出作用在第1层硬岩层上的载荷为（4-1）q⑴I二时3£h『（4-1）TOC\o"1-5"\h\z1m11ii iii=1 i=1式中：q1（x）Im为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷；h，，九，与分别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量（i=1,2,…,m）。 ' kk=hk1考虑到第m+1层对第1层坚硬岩层形成的载荷为（4-2）q(x)I=Eh.勿h『/四Eh3（4-2）1m+1 11ii iii=1 i=1由于第m+1层为坚硬岩层，其挠度小于下部岩层的挠度，第m+1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷，则必然有（4-3）（4-4）q(x)I<q(x)I（4-3）（4-4）1m+1 1m将式（4-1），（4-2）代入式（4-3）并化简可得Eh2£m+1m+1i=1ii=1式（4-4）即为判别坚硬岩罕置的公式。具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始往上逐层计算EEJih^^hhJ及Jm^EEh，当满足式（4-4）则不再往上计算，此时从第1层岩层往上/=第'm+1上岩层'为第1层硬岩层。从第1层硬岩层开始，按上述方法确定第2层硬岩层的位置，以此类推，直至确定出最上一层硬岩层（设为第n层硬岩层）。通过对坚硬岩层位置的判别，得到了覆岩中硬岩层位置及其所控软岩层组。2一(k=1,2•-,n)qk（4-52一(k=1,2•-,n)qk（4-5）式中，hk为第k层硬岩层的厚度，m；ak为第k层硬岩层的抗拉强度,MPa；qk为第k层硬岩层承受的载荷，MPa。由式（4-1）可知，qk可按下式确定：Ek,0"；,0*k,j7k,jqk= （k=1,…,n-1） （4-6）ZLEh3k,jk,jj=0由于表土层的弹性模量可视为0，设表土层厚度为H，容重为V，则最上一层硬岩层即第n层硬岩层上的载荷可按下式计算:（4-7）En,0h：/Ehn,jn,j+"^）q= x（4-7）n V2^Eh3n,jn,jj=0式（4-6）、（4-7）中，下标k代表第k层硬岩层；下标j代表第k层硬岩层所控软岩层组的分层号；mk为第k层硬岩层所控软岩层的层数；Ekj，h幻，Y幻分别为第k层硬岩层所控软岩层组中第j层岩层弹性模量、分层厚度及容重，单位分别为GPa，m，MN/m 若第k层硬岩层破断距lk大于其上方第k+1层硬岩层破断距,则将第k+1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距。若重新计算的第k层硬岩层的破断距小于第k+1层硬岩层的破断距，则取lk=lk+1 若第k层硬岩层破断距lk大于其上方第k+1层硬岩层破断距,则将第k+1层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距。若重新计算的第k层硬岩层的破断距小于第k+1层硬岩层的破断距，则取lk=lk+1。说明此时第k层硬岩层破断受控于第k+1层硬岩层，即第k+1层硬岩层破断前，第k层硬岩层不破断，一旦第k+1层硬岩层破断，其载荷作用于第k层硬岩上，导致第k层硬岩随之破断。 从最下一层硬岩层开始逐层往上判别lk<lk+1（k=1,2,…,n-1）是否成立，及当lk>lk+1时重新计算第k层硬岩层破断距。例如，假设由第1，2步确定出覆岩中有3层硬岩层，各自破断距分别为L，l2,l3，根据上述原则确定关键层位置的流程如图4-6所示。第3步，按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较，确定关键层位置。1）第k层硬岩层若为关键层，其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距，即满足：〈＜lk〈＜lk+1 (k=h…，n-1)（4-8）图4-6关键层位置判别流程图4.39804工作面覆岩关键层判别结果与分析对开元煤矿9804工作面附近的钻孔柱状进行关键层位置判别结果见图4-7,判别过程中岩层破断角取70°，松散层载荷传递系数取0.6。层号厚度埋源岩性 关窿层位置 备注27300.1300.1表土层一一一一一__2614.93315.03砂质泥岩\250.7315.73细砂岩\X245.06320.79泥岩231321.79粉砂岩228.3330.09中砂岩211.9331.99泥岩200.S5332.84细砂岩192.75335.59泥岩*109.2344.79中砂岩主关键层170.7345.49粉砂岩164.4349.89砂质泥岩151.07350.96142.05353.01砂质泥岩132.21355.22细粒砂岩¥123.29353.51砂质泥岩110.64359.154煤XX104.96364.11泥岩92.32366.43砂质泥岩><80.47366.9勰74370.9细粒砂岩61.05371.95砂质泥岩51.42373.3746.34379.71细粒砂岩亚关键层3S.03387.74砂质泥岩21.47389.21泥岩5.58394.79(c)H64钻孔由图4-7可知：9804工作面附近的覆岩主关键层为9.2m的