悬臂

工程力学术语

悬臂梁梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力）。在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程分析中，大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。

悬臂简介

(1)机器或机械装置的突出地伸长部分，它经常作上下或旋转移动。例：风车的悬臂。

(2)从桥墩伸出的两个相向的梁或桁架之一，当两者直接连接在一起或由一个悬挂的连接构件连接就构成悬臂桥的一跨。

“悬臂梁”结构运动对端面漏冒的影响

综采工作面的端面漏冒不仅与顶板岩性、构造和裂隙发育以及支护工况有关，还与关键层破断块体的回转运动密切相关。特大采高综采工作面覆岩第1层关键层易破断进入垮落带而形成“悬臂梁”结构，不同于低采高综采工作面关键层稳定铰接的“砌体梁”结构，由于其破断块体后方无水平的侧向约束力，它将无法形成自稳的承载结构；当支架初撑力不足以平衡该“悬臂梁”破断块体及其上覆垮落带岩层的载荷时，易造成该块体发生失稳错动而切割直接顶，从而导致贯穿式的端面漏冒的发生。

“悬臂梁”结构运动对端面漏冒的作用机理

在特大采高开采条件下，覆岩第1层关键层常易直接进入垮落带而破断形成“悬臂梁”结构，该结构的运动状态显然将与一般低采高情况下关键层“砌体梁”结构的运动状态有所不同，从而对下部直接顶的作用效果也将不同。因此，下面针对特大采高综采工作面覆岩关键层特有的“悬臂梁”结构形态，分析其破断运动对端面漏冒的作用机理。

当关键层悬露一定长度而发生断裂时，其断裂线一般会超前工作面一定距离；此时，由于煤壁前方煤岩体的限制作用，关键层断裂块体仅能发生较小角度的回转，并达到暂时稳定的状态；与此同时，直接顶也会在断裂块体回转挤压的作用下，在关键层断裂线及工作面端面附近分别产生拉断区和压缩变形区( “两区”)。随着工作面的继续推进，关键层断裂块体的回转角逐渐加大，“两区”的范围也随之增大，同时伴随着压缩变形区导致的端面漏冒。当工作面推过关键层断裂线时，由于后方已断块体A是直接垮落至采空区的，它无法对前方破断块体B形成侧向的约束作用，因此块体B回转过程中将始终无法形成自稳的承载结构；当工作面移架过程中支架初撑力不够或块体B上覆的载荷较大时，该块体将沿断裂线发生失稳错动，从而导致直接顶“两区”的贯通，形成最危险的贯穿式端面漏冒现象。而在此过程中支架阻力也会随顶板岩层的下沉而急速增长，当其阻力足以平衡关键层“悬臂梁”破断块体B及其上覆垮落带岩层的载荷时，块体B将可达到稳定。由于此过程持续的时间较短，因此，虽然块体B发生了失稳错动，但其反映到支架活柱上的下缩量将不明显。

特大采高综采工作面端面漏冒机理的模拟

为了验证上述有关特大采高综采工作面关键层“悬臂梁”结构对端面漏冒影响的理论分析，同时也对提高支架初撑力控制端面漏冒的效果进行验证，采用UDEC数值模拟软件进行了实验。模型采用摩尔－库仑本构关系，并根据52304工作面的开采条件将各岩层进行简化；模型走向长300m，高度50m，煤层厚度7m；模型两端采用位移约束固定边界，上部未铺设的岩层质量以均布载荷的方式施加在模型顶界面。模型计算时，根据支架初撑力的不同分别对P0=800，1200和1600kPa三种方案进行了模拟。

“悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响

通过理论分析并结合模拟实验，提出了大采高覆岩关键层“悬臂梁”结构的3种运动型式，即：“悬臂梁”直接垮落式、“悬臂梁”双向回转垮落式、“悬臂梁－砌体梁”交替式。结合关键层“悬臂梁”与“砌体梁”结构对采场矿压影响的对比分析，揭示了关键层“悬臂梁”结构3种运动型式对采场矿压的不同影响规律，并得到了补连塔煤矿7.0m支架综采工作面矿压实测数据的验证。

“悬臂梁”结构运动分析

实际上，大采高采场覆岩关键层呈现悬臂垮落的本质原因，是由于破断块体回转角过大而使铰接处发生回转变形失稳造成的，即较大的回转角造成了关键层的直接垮落。关键层1处于大采高采场的垮落带中，其规则块度的破断将垮落带分界成“规则垮落带”和“不规则垮落带”两个区域。由此可见，待断块体的下沉量及其断裂步距将直接影响到块体的回转角，进而影响到块体的运动形态。即当待断块体的下沉量较小，而断裂步距较大时，块体将只发生较小的回转角即可触矸，此块体也将会因较小的回转角而形成稳定的铰接结构。

“悬臂梁”结构运动型式

通过模拟实验后发现，关键层 1“悬臂梁”结构破断运动时，因后方垮落岩块的冒落形态以及块体断裂块度的不同而呈现出3种不同的运动型式。

( 1) 关键层“悬臂梁”破断块体直接回转，因回转角较大而无法形成铰接结构，最终直接垮落在采空区，关键层又形成新的“悬臂梁”结构。

( 2) 关键层悬臂梁破断块体回转较小角度后就触及后方已断块体而停止回转，并暂时形成稳定的平衡结构，待工作面继续开采一段距离后，块体又反向回转并垮落，最终又形成新的“悬臂梁”结构。

( 3) 关键层悬臂梁破断块体回转较小角度后就触及后方已断块体而停止回转，并形成稳定的铰接结构随工作面开采不断前移，但经历几次破断铰接后，最终又垮落而形成新的“悬臂梁”结构。

“悬臂梁”结构对矿压影响的对比分析

(1) 来压步距。大采高时关键层“悬臂梁”结构以及普通采高时关键层“砌体梁”结构待破断块体受力分析，其中，l1、l2 分别为两种结构状态下关键层的断裂步距；Q1、Q2 分别为两待破断块体的自重；M为前方岩体固定端约束力矩；R为“砌体梁”结构后方已断块体对待断块体的剪切力；q为上部岩层均布载荷。因此，大采高“悬臂梁”结构下，关键层断裂步距将大于普通采高“砌体梁”结构的断裂步距。假设工作面来压步距与关键层断裂步距相等，则大采高关键层“悬臂梁”结构影响下，来压步距比普通采高“砌体梁”结构时的步距大。

(2) 来压持续长度。关键层的周期性破断回转运动最终造成了工作面的周期来压，因此，当关键层破断块体停止回转时，来压即结束。由于“悬臂梁”结构破断时其回转空间大，且不易形成稳定的结构，支架顶梁需完全推过关键层破断线之外，其破断块体的回转运动才不会对支架产生作用，即工作面的来压才会停止。而对于一般采高情况下关键层“砌体梁”结构破断运动时，块体回转较小的角度后就能够触矸而达到稳定状态，即工作面推进较小距离后来压就能结束。因此，相比一般采高工作面，大采高关键层“悬臂梁”结构作用下，工作面来压持续长度更长些。

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