基本介紹
- 中文名：懸臂
- 外文名：[arm]
- 拼音： xuánbì
- 特點：它經常作上下或旋轉移動
懸臂簡介,“懸臂樑”結構運動對端面漏冒的影響,“懸臂樑”結構運動對端面漏冒的作用機理,特大采高綜采工作面端面漏冒機理的模擬,“懸臂樑”結構運動型式及對礦壓的影響,“懸臂樑”結構運動分析,“懸臂樑”結構運動型式,“懸臂樑”結構對礦壓影響的對比分析,
懸臂簡介
“懸臂樑”結構運動對端面漏冒的影響
綜采工作面的端面漏冒不僅與頂板岩性、構造和裂隙發育以及支護工況有關，還與關鍵層破斷塊體的迴轉運動密切相關。特大采高綜采工作面覆岩第1層關鍵層易破斷進入垮落帶而形成“懸臂樑”結構，不同於低采高綜采工作面關鍵層穩定鉸接的“砌體梁”結構，由於其破斷塊體後方無水平的側向約束力，它將無法形成自穩的承載結構；當支架初撐力不足以平衡該“懸臂樑”破斷塊體及其上覆垮落帶岩層的載荷時，易造成該塊體發生失穩錯動而切割直接頂，從而導致貫穿式的端面漏冒的發生。
“懸臂樑”結構運動對端面漏冒的作用機理
在特大采高開採條件下，覆岩第1層關鍵層常易直接進入垮落帶而破斷形成“懸臂樑”結構，該結構的運動狀態顯然將與一般低采高情況下關鍵層“砌體梁”結構的運動狀態有所不同，從而對下部直接頂的作用效果也將不同。因此，下面針對特大采高綜采工作面覆岩關鍵層特 有 的“懸臂樑”結構形態，分析其破斷運動對端面漏冒的作用機理。
當關鍵層懸露一定長度而發生斷裂時，其斷裂線一般會超前工作面一定距離；此時，由於煤壁前方煤岩體的限制作用，關鍵層斷裂塊體僅能發生較小角度的迴轉，並達到暫時穩定的狀態；與此同時，直接頂也會在斷裂塊體迴轉擠壓的作用下，在關鍵層斷裂線及工作面端面附近分別產生拉斷區和壓縮變形區( “兩區”)。隨著工作面的繼續推進，關鍵層斷裂塊體的迴轉角逐漸加大，“兩區”的範圍也隨之增大，同時伴隨著壓縮變形區導致的端面漏冒。當工作面推過關鍵層斷裂線時，由於後方已斷塊體A是直接垮落至採空區的，它無法對前方破斷塊體B形成側向的約束作用，因此塊體B迴轉過程中將始終無法形成自穩的承載結構；當工作面移架過程中支架初撐力不夠或塊體B上覆的載荷較大時，該塊體將沿斷裂線發生失穩錯動，從而導致直接頂“兩區”的貫通，形成最危險的貫穿式端面漏冒現象。而在此過程中支架阻力也會隨頂板岩層的下沉而急速增長，當其阻力足以平衡關鍵層“懸臂樑”破斷塊體B及其上覆垮落帶岩層的載荷時，塊體B將可達到穩定。由於此過程持續的時間較短，因此，雖然塊體B發生了失穩錯動，但其反映到支架活柱上的下縮量將不明顯。
特大采高綜采工作面端面漏冒機理的模擬
為了驗證上述有關特大采高綜采工作面關鍵層“懸臂樑”結構對端面漏冒影響的理論分析，同時也對提高支架初撐力控制端面漏冒的效果進行驗證，採用UDEC數值模擬軟體進行了實驗。模型採用摩爾－ 庫侖本構關係，並根據52304工作面的開採條件將各岩層進行簡化；模型走向長300m，高度50m，煤層厚度7m；模型兩端採用位移約束固定邊界，上部未鋪設的岩層質量以均布載荷的方式施加在模型頂界面。模型計算時，根據支架初撐力的不同分別對P0=800，1200和1600kPa三種方案進行了模擬。
“懸臂樑”結構運動型式及對礦壓的影響
通過理論分析並結合模擬實驗，提出了大采高覆岩關鍵層“懸臂樑”結構的3種運動型式，即：“懸臂樑”直接垮落式、“懸臂樑”雙向迴轉垮落式、“懸臂樑－砌體梁”交替式。結合關鍵層“懸臂樑”與“砌體梁”結構對采場礦壓影響的對比分析，揭示了關鍵層“懸臂樑”結構3種運動型式對采場礦壓的不同影響規律，並得到了補連塔煤礦7.0m支架綜采工作面礦壓實測數據的驗證。
“懸臂樑”結構運動分析
實際上，大采高采場覆岩關鍵層呈現懸臂垮落的本質原因，是由於破斷塊體迴轉角過大而使鉸接處發生迴轉變形失穩造成的，即較大的迴轉角造成了關鍵層的直接垮落。關鍵層1處於大采高采場的垮落帶中，其規則塊度的破斷將垮落帶分界成“規則垮落帶”和“不規則垮落帶”兩個區域。由此可見，待斷塊體的下沉量及其斷裂步距將直接影響到塊體的迴轉角，進而影響到塊體的運動形態。即當待斷塊體的下沉量較小，而斷裂步距較大時，塊體將只發生較小的迴轉角即可觸矸，此塊體也將會因較小的迴轉角而形成穩定的鉸接結構。
“懸臂樑”結構運動型式
通過模擬實驗後發現，關鍵層 1“懸臂樑”結構破斷運動時，因後方垮落岩塊的冒落形態以及塊體斷裂塊度的不同而呈現出3種不同的運動型式。
( 1) 關鍵層“懸臂樑”破斷塊體直接迴轉，因迴轉角較大而無法形成鉸接結構，最終直接垮落在採空區，關鍵層又形成新的“懸臂樑”結構。
( 2) 關鍵層懸臂樑破斷塊體迴轉較小角度後就觸及後方已斷塊體而停止迴轉，並暫時形成穩定的平衡結構，待工作面繼續開採一段距離後，塊體又反向迴轉並垮落，最終又形成新的“懸臂樑”結構。
( 3) 關鍵層懸臂樑破斷塊體迴轉較小角度後就觸及後方已斷塊體而停止迴轉，並形成穩定的鉸接結構隨工作面開採不斷前移，但經歷幾次破斷鉸接後，最終又垮落而形成新的“懸臂樑”結構。
“懸臂樑”結構對礦壓影響的對比分析
(1) 來壓步距。大采高時關鍵層“懸臂樑”結構以及普通采高時關鍵層“砌體梁”結構待破斷塊體受力分析，其中，l1、l2 分別為兩種結構狀態下關鍵層的斷裂步距；Q1、Q2 分別為兩待破斷塊體的自重；M為前方岩體固定端約束力矩；R為“砌體梁”結構後方已斷塊體對待斷塊體的剪下力；q為上部岩層均布載荷。因此，大采高“懸臂樑”結構下，關鍵層斷裂步距將大於普通采高“砌體梁”結構的斷裂步距。假設工作面來壓步距與關鍵層斷裂步距相等，則大采高關鍵層“懸臂樑”結構影響下，來壓步距比普通采高“砌體梁”結構時的步距大。
(2) 來壓持續長度。關鍵層的周期性破斷迴轉運動最終造成了工作面的周期來壓，因此，當關鍵層破斷塊體停止迴轉時，來壓即結束。由於“懸臂樑”結構破斷時其迴轉空間大，且不易形成穩定的結構，支架頂梁需完全推過關鍵層破斷線之外，其破斷塊體的迴轉運動才不會對支架產生作用，即工作面的來壓才會停止。而對於一般采高情況下關鍵層“砌體梁”結構破斷運動時，塊體迴轉較小的角度後就能夠觸矸而達到穩定狀態，即工作面推進較小距離後來壓就能結束。因此，相比一般采高工作面，大采高關鍵層“懸臂樑”結構作用下，工作面來壓持續長度更長些。
