采场老顶岩梁的超前破断与矿山压力研究

2022-11-21

引言

采场老顶岩梁的超前破断问题,在煤矿开采中是一个热点问题。煤矿开采多采用放顶煤开采法,其做法是在煤层下部布置工作面,利用地压破煤和自重落煤的形式将顶煤放出和运走,这种工艺在我国厚煤层开发中已经实践了十余年之久,生产实践经验十分丰富,因其表现出的优越的产量和效率,目前在煤矿开采上越来越流行。将顶煤从煤壁前方至放煤口进行转移的过程中,研究顶煤的活动规律及其可放性,定性描述在不同区域的变形特征,对介质转化特征以及裂隙发育特征等物理性质用宏观等效损伤的方式进行诠释,对于采场老顶岩梁的超前破断研究具有重要意义。本文针对采场老顶岩梁的超前破断与矿山压力进行研究,给出相关建议和意见,为煤矿开采等行业的发展尽绵薄之力。

1.采场岩梁相似试验模拟

(1)试验材料及设备

花岗岩作为一种矿山中比较常见且具有代表性的岩石,在力学性质上十分符合悬臂岩梁和固支岩梁的特征,所以本实验将采用长和宽为500mm、高度为75mm的工程标准花岗岩为实验材料。另外用到的专业损伤力学设备为液压伺服压力机和某些自制设备。在控制系统的选择上,我们采用比较常规的微机电控制系统,具体的试验机型号不予赘述。

(2)试验过程

自制设备是由实验室人员自行制作,包括钢槽、铁板、螺母、钢珠、载荷板等。试验的第一步是将自制设备按照设计意图和设计方案组装起来,使其具备测量和模拟数据的作用,与所用其他数据的语言进行兼容化处理。首先建造老顶超前破断后的损伤基础梁的力学模型,再分析不同施工情形下的顶板内弯矩和应变力变化、统计不同推动步距时顶板的下沉量,最后一部分是绘制工作面板上顶板的静态和动态曲线,由matlab将具体的程序编写运作,再将曲线用CAD等软件进行进一步处理。

(3)试验结果与分析

采场老顶岩梁的超前断裂与矿山的压力分析绝不是一次实验结果就能证明的,要进行多次实验,多次实验求平均值,数据在处理时不能去掉极值,极值要单独列出来,因为在本实验中,极值的出现往往并不是因为实验误差导致的,而是在模拟过程中矿山和岩梁发生了施工问题。

2.预防均布载荷下采场悬臂岩梁破断

在煤层开采过程中,目前对顶板运动、矿压显示的开发研究,主要是建立在弹性梁板的基础上的,而在开采纵深比较深的情况下,这样的煤层往往会发生塑性破坏,也即是说,如果不建立恰当的非弹性基础模型,没有损伤力学理论计算模拟的情况下,采场悬臂岩梁会很容易发生破断现象。采场的悬臂岩梁在整个建筑工程中是非常脆弱的一环,每一个微小细节的改动都会给悬臂岩梁的结构和稳定性造成不可逆的损伤,甚至破断。而与估值岩梁相比,其需要的工程计算量其实是不大的,之所以本文将至放在第一部分进行论述,是由于一旦悬臂岩梁出现断裂现象,接下来的采场老顶岩梁在煤矿开发中的分析就没有必要了。这个过程出的问题会直接导致整个工程荒废,需要重新制定工程计划蓝皮书。均布载荷作用下,悬臂岩梁在顶部产生的弯曲力矩很大,为对其弯曲数据进行更加细致的分析处理,要总结出科研的悬臂岩梁裂纹的扩展方向方程。悬臂岩梁在采场的破坏一般不会发生在侧部和底部,在顶部的断裂萌生过程中,裂纹的方向和断裂程度是可以由技术设备进行检测记录的。一般情况下裂纹的方向会与轴线垂直。

例如,在工程实施的过程中,工程管理人员要严格预防均布载荷下采场悬臂岩梁破断现象。质量监督部门可以和工程技术相关部门进行讨论,制定“双方共同整改机制”。在该机制的整体框架下,双方可以就均布载荷下采场悬臂岩梁破断相关问题,制定统一的措施和制度,对区域内的悬臂岩梁设施进行全面地更新和升级。譬如,在目前很多煤矿存在着均布载荷下采场悬臂岩梁破断的情况,该情况随着悬臂岩梁系统使用而逐渐增多,其中安全隐患也会日益凸显出来。所以工程质量监督部门便可以联合工程师团队对区域内的监测设备进行检查,其中检查的项目至少应当包括设备的数量、年限、老化程度等。对于悬臂梁强度不足的工程设施,部门应当视情况适当地增加监测设备的数量,可以有效保障煤矿开采的运行安全。其次,对于年限较长老化较为严重的监测设备,比如有的监测设备因为运行的时间过长会导致其内部芯片磨损严重,以至于达不到采场老顶岩梁的监测标准。对于此类的监测设备,工程质量监督部门可以对其进行升级或者替换。

3.对固支岩梁和悬臂岩梁进行数值模拟

固支岩梁和悬臂岩梁的不同之处在上文中已有相应论述,固支岩梁的特点在于稳定性高、造价低廉、适应性好,可以在各种复杂的地质条件下进行建设,不会存在太多的技术难题。但是有利就有弊,固支岩梁的缺陷在于,其需要的计算量和计算精度都比悬臂岩梁要高,并且,固支岩梁的安设位置必须与固支岩梁的位置符合一定的损伤力学关系。于是,在实验过程中本文对固支岩梁和悬臂岩梁的位置关系进行了一定的阐述。目前国际上通用的数值模拟方法包括增加重复节点法、单元劈裂法。需要工程计算人员对节点的平均应力情况进行分析,判断其是否满足使用煤矿开采的开裂准则,若是符合,便可以继续采用增加重复节点的方式,对固支岩梁和悬臂岩梁的数值模拟精度进行提高。但不能将精度无限提高,一是技术层面的限制,另外精度达到一定的程度对采场老顶岩梁的影响便可以忽略不计,继续运算只会延误工期,造成经济损失。进行数值模拟运算的目的除了优化工程效果以外,还可以分析矿山压力对于悬臂岩梁和固支岩梁的影响,由于存在不同的地质条件和气候条件,每一个煤矿所在的矿山对于矿区的应变力都是不同的,要对每一个方向的应变力都进行人工分析很难。在过去技术匮乏的时候,便会造成很多代工程浪费和由采场老顶岩梁超前断裂引发的工程事故。而进行数值模拟,仅需要在物联网技术的基础上,将各种类型的传感器分散置于山体和矿区的各个位置,将收集而来的大数据经计算统计到模拟系统中即可,可以节省大量的工程量,并且有效避免很多不必要的风险。

例如,针对数值模拟实施存在的原因,相关技术部门可以对症下药采取如下措施,加强对实验模拟人员的管理力度。首先工程管理部门应当对固支岩梁和悬臂岩梁实验的员工进行综合的素质考核和培训,其中的内容应当至少包括基本软件模拟知识、设备操作规范、实验模拟事故的处理等,管理部门对于考核中不合格的员工应当暂停其现有工作,并安排员工进行专业素质的培训,确保在培训合格后方可重新上岗。其次抓好部门内的管理工作,很多矿场技术部门内部管理松散疏漏,在一定程度上给员工偷懒渎职形成了可乘之机。要想做好管理工作,煤矿开采部门首先便可以制定严格的人员惩罚制度,对于工作中造成安全事故的人员,相关部门必须按照规章制度予以严格处理。此举不仅可以对涉事人员形成警示作用,更会切实加强全体员工的安全责任意识。

4.保证顶煤运移在宏观上符合损伤力学原理

最后防止采场老顶岩梁的超前破断的方法,是要保证顶煤运移在宏观上符合损伤力学原理,损伤力学在近些年的发展形式迅猛,便是由于其社会需求大,在很多采矿的工作中常常需要使用到。可以说,没有损伤力学作为技术铺垫,便没有今天煤矿开采业的繁荣昌盛。顶煤运移依靠于悬臂岩梁的稳定构造,但在实际工程中,即便顶煤存在宏观裂缝,只要保证其与周围的煤体有力的传递关系,整个煤矿的稳定性就不会发生破坏,而若是周围的煤体与之联系被打断,则不符合损伤力学的原理,会使整个矿体呈现散体介质状态,长此以往,会使得其他周围煤体变得越来越松散介质化,不利于开采,容易引发工程事故。

例如,技术监督部门需要对施工过程进行技术指标监测,重点监管顶煤运移的数据、各岗位的人员配置以及数据分析设备的使用等方面。在工程是否符合损伤力学原理的监察上,做好相关固支岩梁及悬臂岩梁的性能测试,以保证施工过程的质量和安全性。并针对材料配比、施工质量控制以及后期监理等工作环节做好工程人员配置,同时选择合适的机械设备,保证施工进程。在损伤力学与矿山压力关系的应用过程中,技术监督人员应当对煤矿开采过程中出现的各类突发情况做出应急预案。开展技术员工会议,聘请相关专业的教授到工程组中进行技术指导,避免技术封锁、闭门造车,因为工程力学的发展进程十分迅速,所以要派遣技术人员经常与其他施工团队进行技术交流,互相分享工作经验。加强对损伤力学的学习,在采场老顶岩梁的受力方面取得更多的工作经验,更好地面对工程实践中出现的各式各样的问题。

5.总结

综上所述,预防出现采场老顶岩梁超前断裂的途径主要有三种,包括预防均布载荷下采场悬臂岩梁的破断、对固支岩梁和悬臂岩梁进行数值模拟、保证顶煤运移在宏观上符合损伤力学的原理。其中最重要的是不论是哪种岩梁,都需要符合损伤力学的原理,在这个理论基础上,可以通过适当增加采样数,提高数值模拟精度来预测岩梁断裂应力大小。在煤矿开采及其他矿区的开发过程中,采场老顶岩梁的超前断裂对于工程的影响都是很致命的,而本文的相关解决措施能够有效解决此类问题。

摘要：为研究采场老顶岩梁的超前破断过程,工程师要在损伤力学的基础上,建立损伤基础岩梁的力学模型。通过分析损伤力学将初始来压前后的采场老顶岩梁,运用工程制图的方式简化为悬臂岩梁和固支岩梁,对采场老顶岩梁的超前破断进行实验模拟。

关键词：老顶岩梁,矿山压力分布,损伤基础