煤层气墩台报告文字

-１-1．前言目前国内外在采空区地基处置方面主要采用灌注充填法和墩台式支撑法两大类。采空区地基处置方案的选择主要是针对煤层的顶板岩层组成结构和采空区残留的空间的状况而定。灌注充填法主要适用于采空区岩层充分垮落和冒裂带发育的中硬以下顶板岩层的采空区处置；墩台式支撑（包括灌注柱和桩柱）法则主要适用于稳定的厚层状顶板岩层，且冒裂带未充分发育的采空区处置。煤矿开采是遵循开采设计而组织生产的。开采过程是在一定的运输、通风等生产系统中进行。当一个矿井、一个采区或一个工作面停采废弃后，采空区空间的几何状态与煤层赋存条件、顶板岩层力学性质密切相关，同时也与采煤方法和地形地质条件密切相关，单一煤层开采与多煤层不同层间距的情况也有所不同。工程场地基础位于下伏采空区时，可能会遇到不同类型的采空区。深入细致地分析工程场地基础的下伏采空区空间的几何形态是制订其下伏采空区处置方案的技术关键。本专题应用薄板矿压理论，根据下伏采空区3#煤层顶板岩层组成结构特征，重点分析晋城煤业集团煤层气液化工程场地下伏采空区墩台式支撑的力学机制，提出采用墩台式支撑处理采空区的适用条件及其作用原理，为科学地确-２-定工程场地的下伏采空区处置方案提供依据。采场矿压理论是开采沉陷及工程场地下伏煤矿采空区处置技术研究的重要组成部分。在采场矿压理论及其应用研究中，基本顶（老顶，下同）岩层的物理力学性质、组成结构模式及其极限跨距等是问题的关键。在矿压理论研究中，太原理工大学矿业工程学院于1982年开始把弹性薄板理论应用于采场稳定岩层控制分析中，针对采煤工作面不同边界条件建立了相应的力学模型，分析了顶板的下沉规律、压力分布规律、断裂过程、来压步距以及来压强度等，创立了采场薄板矿压理论。所谓采场薄板矿压理论是把断裂前的顶板岩层视为薄板，断裂后视为铰接板，设法借助于弹性薄板理论，结合煤矿地下开采中的工程实际建立力学模型和进行定量分析，以理论计算方法定量确定顶板岩层的极限跨步距和载集强度等，并使其达到工程应用的程度。应当指出，在严格意义上，顶板岩层属各向异性的非连续介质。岩层经历了漫长年代的地质作用，岩层内部存在着不同程度的裂隙、节理、层理乃至破断，在力学属性上与理想连续介质之间存在一定距离，况且时间效应对岩层力学性能也会产生重要影响；工作面顶板岩层在开采过程中呈动态变化过程，其介质属性也会随之发生改变。但是在另一方面，大量的岩石力学试验和理论研究结果表明，把稳定岩层顶板简化为弹性薄板是一种较为适用的力学模型。尽-３-管其力学属性与理想弹性板有较大的差异，但在没有明显地质构造影响的区域内，稳定岩层顶板的工作状态、变形特征以及破断特征与弹性薄板类似。研究结果表明，顶板岩层的裂隙发育程度主要影响岩层的刚度，对岩层变形及断裂特征的影响一般很小。-４-2．采场薄板矿压理论在采场矿压理论及其应用研究中，基本顶（老顶，下同）岩层的物理力学性质、结构模式以及确定其来压步距（极限跨距）和来压强度（支架载荷）是问题的关键。在矿压理论研究中，太原理工大学矿业工程学院于1982年开始把弹性薄板理论应用于采场稳定岩层控制分析中，针对采煤工作面不同边界条件建立了相应的力学模型，分析了顶板的下沉规律、压力分布规律、断裂过程、来压步距以及来压强度等，创立了采场薄板矿压理论,编制了RST采场矿压计算专用软件。所谓采场薄板矿压理论是把断裂前的顶板岩层视为薄板，断裂后视为铰接板，设法借助于弹性薄板理论，结合煤矿地下开采中的工程实际建立力学模型和进行定量分析，力求用理论计算方法定量确定顶板岩层的来压步距和来压强度，并使其尽可能达到工程应用的程度。应当指出，在严格意义上，顶板岩层属各向异性的非连续介质。岩层经历了漫长年代的地质作用，岩层内部存在着不同程度的裂隙、节理、层理乃至破断，在力学属性上与理想连续介质之间存在一定距离，况且时间效应对岩层力学性能也会产生重要影响；工作面顶板岩层在开采过程中呈动态变化过程，其介质属性也会随之发生改变。但是在另一方面，大量的岩石力学试验和理论研-５-究结果表明，把稳定岩层顶板简化为弹性薄板是一种较为适用的力学模型。尽管其力学属性与理想弹性板有较大的差异，但在没有明显地质构造影响的区域内，稳定岩层顶板的工作状态、变形特征以及破断特征与弹性薄板类似。研究结果表明，顶板岩层的裂隙发育程度主要影响岩层的刚度，对岩层变形及断裂特征的影响一般很小。2.1薄板理论的基本假设与基本方程所谓薄板，是指具有一定厚度的板。通常把满足以下条件的板作为薄板：801(～)1001≤bh51(～)81（1）其中：h——板的厚度；b——板的较短边的长度。以发生弯曲变形前板的中间面作为xy坐标面，z轴垂直向下，如图1。图1板的坐标系统当板弯曲时，中间面内各点在z方向将有一位移w（x、y），称为板各点的-６-挠度，我们限w与h相比要小得多，这样就可以忽略板在弯曲时中间面内各点的应变。这就是属于板弯曲的小挠度范畴的问题。弹性薄板弯曲的理论，是建立在以下两个假设上的：（1）在板变形前，原来垂直于板中间面的线段（即设想板是由无数长为h的垂直于中间面的线段材料密集而成的），在板变形以后，仍垂直于微弯了的中间面。这就是在板与壳理论中的“法线假设”。（2）作用于与中间面相平行的诸截面内的正应力σz，与横截面内的应力σx、σy、τxy等相比为很小，故可以忽略不计。由于我们所讨论的，只限于w（x，y）较板的厚度要小得多的问题（小于板厚度的41~51），故认为中间面内各点在x与y方向的位移u与v是不存在的。但由第一个假设，在离中间面为z的点，其位移u与v各等于：xwzu，ywzv（2）于是应变分量各为：22xzxux22yzyvy（3）yxzyuxvxy22由第二个假设，从胡克定律得到：-７-222221yxEzx222221xyEzy(4)yxGzxy2223222222221421yxGyxxEhzzxyxGyxyEhzzy23222222221421（5）在图2中，按照通常表示正应力与剪应力正负的习惯，给出它们沿板厚度的分布。图2.板单元体上的应力-８-板的弯曲面方程为：D),(24422444yxqyyxx（6）式中：D=)1(1223Eh，称为板的抗弯刚度。对于板的平衡问题，在于寻求一函数w（x，y）；它在板的范围内须满足这非齐次的双调和方程，而在板的边界上应满足边界条件。固定边（仅讨论固支情况）：若沿x轴这边是固定的，则沿这边的挠度与斜度均为零，于是：0,0)(00yyyww板的弯曲变形能为：V=dxdyyxwywxwywxwD222222222221221（7）2.2薄板弯曲的近似解由弯位移的最小势能原理可知，板的总势能等于板的变形能与荷重对板所做功之差，即：I=V-L（8）式中：I——板的总势能；V——板的变形能（由式（7）确定）；-９-L——荷重所做的功。且：L=qwdxdy（9）故有：I=dxdyqwyxwywxwywxwD22222222222122（10）当板处于稳定平衡时，其势能最小。该最小势能可由变分方程：δI=0（11）确定，即在给定外力作用下，实际存在的位移应使势能的变分为零。我们首先选择一个级数来表示板的弯曲面w（x，y）：yxfayxfayxfayxwnn,,,,2211（a）它的每一项fi（x，y）都满足已知的边界条件，而每一项的系数aI是待定的。这样就可以在已经满足边界条件的基础上，尽可能近似地来满足微分方程（6）。将式（a）代入总势能算式（10），得到一个系数为a1，a2，…的二次齐次式。我们应如此地选择它们，使得I为最小；也就是尽可能近似地满足微分方程（6）。要使I为最小，必须：,0,021aIaI……（b）这样就得到了n个a1，a2，…等的线性方程，从而可以解这些系数。将它们代入方程（a），就得到板弯曲面的近似解。-１０-2.3四边固支顶板岩层的挠曲及其应力分布刀柱工作面和长壁工作面顶板在达到其极限跨距之前，基本顶岩层的工作状态通常可以按受均匀布载荷作用的四边固支板来解算。解算之前有两点说明：（1）由于按位移求解，且仅取用无穷级数表示的位移函数中的首项，这样以选定的位移函数求得的板的内力值，不一定能够满足问题对精度的要求，求得的各应力分量仅是板的内力的分布规律。（2）假定矩形板的边长为a和b时，板的内力达到了极限平衡状态。由于岩石的抗压强度和抗剪强度远大于其抗拉强度，所以认为顶板在出现张拉断裂之前，各支边处不发生剪断破坏。又因采场支架是在顶板破坏之后，对其上部载荷起转载作用的，所示仅考虑无支护条件下的顶板下沉规律、应力分布规律。顶板岩层破断前的力学模型如图3所示，即四边均为固支受均布载荷q作用的矩形板，其边界条件为：00xw00xxw0axw0axxw0ayw0ayyw0byw0byyw选取挠曲面方程：-１１-byaxAw2cos12cos1（12）该式满足上述边界条件。将（12）代入式（10），并令0AI可得：24442334babaDqaA即顶板下沉的挠曲面方程确定。图3.顶板岩层断裂前的力学模型-１２-令0xw和0yw，得顶板的最大下沉在点K〃2,2,2hba（图3b）这是十分显然的。将式（12）代入式（4），可得顶板的应力表达式为：byaxbaaxbyaAEzx2cossin2cossin18222222axbybabyaxbAEzy2cossin2cossin18222222(13)byaxabAEzxy2sin2sin14222由式（13）得在边界Ｏ’Ｎ’（2,,hyO）和边界L’M’2,,hya上的应力分布为：byaAEhx2222sin14byahAEy2222sin140xy在边界Ｏ’L’2,,hox和边界N’M’2,,hbx上的应力分布为：axbhAEx2222sin14axbAEhy2222sin140xy-１３-由计算分析可知，Ｏ’L’、N’M’和Ｏ’N’、L’M’四边中点截面处的弯矩是板的形心截面处的2~3倍（如两端固支梁，端头弯矩是跨中的2倍）。说明顶板将首先沿四条支承边产生张拉断裂，此时由原来的四边固支板过渡为四边简支板。如图4所示，四边简支矩形板受均布载荷q的作用，其边界条件为：00xw002222xywxw0axw02222axywxw00yw002222yxwyw0byw02222byxwyw选取挠曲面方程：byaxAwsinsin（14）该式满足上述边界条件。图4.基本顶初次垮落前的力学模型-１４-将式（14）代入式（10），并令AI=0可得：22261116baDqA由此可得相应四边简支板的位