綜放工作面過風(fēng)氧化帶端面冒落機理研究與應(yīng)用①

彭可平 田 多 師皓宇 石來陽

(1.中煤平朔有限責(zé)任公司井工三礦，山西朔州 036000;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 工程概況

平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工三礦39107工作面因存在斷層、沖刷帶等構(gòu)造，煤層局部遭到破壞，出現(xiàn)上抬、下沉或缺失;工作面北端埋藏較淺的煤層局部被氧化成了風(fēng)氧化煤;39107工作面輔運巷QF10點后14.6 m至QF9點前14 m，共計52 m，頂板破碎，巷道超高;此處煤層部分風(fēng)氧化，支護困難，現(xiàn)場已扶拱形棚支護。

該工作面位于井工三礦井田西北部，工作面標(biāo)高1180～1285 m，西部為39106工作面，東部為39108工作面，南靠9#煤東翼輔運大巷 (西段)，北部靠近大沙溝及風(fēng)化露頭;工作面走向長度575.8 m，傾斜寬度300 m，平均傾角8°，面積174437.6 m2。地表為黃土丘陵，大部分被森林覆蓋，溝谷發(fā)育，地面標(biāo)高 1344.7～1425.6。該工作面煤層厚度在11.03～13.80 m之間，平均煤厚 12.22 m，埋深為 54.7～193.9 m。

當(dāng)工作面推過風(fēng)氧化帶時，推過期間頂板的變形和破壞是一個極其復(fù)雜的力學(xué)過程，松軟破碎頂板易發(fā)生端面冒頂事故，端面冒頂?shù)膶嵸|(zhì)就是支架前方頂板的破碎失穩(wěn)所致［1，2］。本文就端面冒落機理與端面頂板結(jié)構(gòu)進行研究，依此確定其防治措施。

1 計算模型建立

本文采用UDEC計算軟件，UDEC(Universal Distinct Element Code)是一種基于非連續(xù)體模擬離散單元法的數(shù)值計算程序。它主要模擬靜載或動載條件下非連續(xù)介質(zhì) (如節(jié)理塊體)的力學(xué)行為特征，通過離散塊體的組合來反映非連續(xù)介質(zhì)，節(jié)理被當(dāng)作塊體間的邊界條件來處理，允許塊體沿節(jié)理面運動及回轉(zhuǎn)。本文選取摩爾——庫倫塑性模型，所涉及的巖石物理力學(xué)參數(shù)包括:體積模量(B)、剪切模量(S)、內(nèi)聚力(C)、摩擦角 (φ)、密度。巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

2 端面冒落機理與端面結(jié)構(gòu)分析

端面冒頂計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1可以看出，當(dāng)工作面直接推過風(fēng)氧化帶時，支架的頂板、底板、煤壁前方均發(fā)生塑性破壞，端面頂板冒落較為嚴(yán)重，冒高超過1.5 m，且由于冒頂帶動煤壁片幫，在煤壁前上方易片幫，采面上部片幫深度為0.5 m，如不及時處理片幫深度可能會繼續(xù)發(fā)展，從而增大架前空頂距離，造成嚴(yán)重的冒頂。由圖2可以看出，當(dāng)工作面過風(fēng)氧化帶時，架前頂板內(nèi)的垂直應(yīng)力呈拱形分布，在拱軸線上的垂直應(yīng)力為2.6 MPa，應(yīng)力平衡拱的高度即為架前頂板的冒落高度約為1.5 m;拱軸線下巖體的應(yīng)力降至1 MPa，表明該部分巖體應(yīng)力釋放，已經(jīng)破壞。

圖1 端面冒落狀態(tài)圖

圖2 端面頂板應(yīng)力分布圖

因此綜放面過風(fēng)氧化帶時，其端面冒落呈拱形，拱軸線上巖體承載較高壓力［3］。

3 端面冒落力學(xué)機理

當(dāng)工作面推進風(fēng)氧化帶時，由于圍巖松軟破碎，采場附近巖體均發(fā)生一定程度的破壞，端面頂板巖體開始冒落，上方各巖塊在下移過程中發(fā)生松弛接觸，并使發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，從而使巖塊楔緊力增長。因而，在巖塊沿著接觸面滑移并伴隨巖塊微小轉(zhuǎn)動過程中，頂板將出項一個極限平衡的楔緊拱，拱線上各單元體均滿足τ=σtanφ +C這一極限平衡條件;拱線以下巖塊由于楔緊程度不夠而松脫下來，拱線以上巖石重量及載荷則經(jīng)此楔緊的拱圈傳遞到前后兩個拱角——煤壁和支架上，這是一種脆弱的結(jié)構(gòu)，一旦受力狀態(tài)發(fā)生變化，或暴露時間過長，由于蠕變作用，平衡被打破，冒高和冒寬進一步拓廣，在此過程中，又會形成新的平衡拱［4］。

平衡拱主要受內(nèi)因和外因影響，內(nèi)因有巖塊單元塊大小、圍巖強度、頂板裂隙面摩擦角、內(nèi)聚力等，外因有前后拱角支撐條件，在既定條件下，內(nèi)因是一定的，而前后拱腳對冒落拱的平衡具有重要作用，當(dāng)拱處于平衡狀態(tài)時，如圖3所示，則有:

式中R'AR'B為平衡拱前后拱腳的垂直支撐力，H'AH'B為平衡拱前后拱腳的水平支撐力，q為平衡拱覆巖載荷，L為平衡拱前后拱腳水平距離。

圖3 冒落拱受力分析圖

由頂鉸C處的彎矩Mc=0，則

H'為拱頂處水平支撐力，f為頂鉸C與前后拱腳間的豎直距離，f'為頂鉸C與前后拱腳間的豎直距離。

拱高為h，則有f=h－lbtanα，故:

則冒落拱前后拱腳的垂直支撐力RA、RB和水平支撐力HA、HB分別為:

式中RA

由以上分析可知:

1)在其他條件一定時，冒落拱平衡所需后拱腳力RA、HA隨著載荷Q的增大而增大;

2)冒落拱的跨度L越大，所需拱腳力越小，因此減小端面距有利于冒落拱的穩(wěn)定;

3)冒落拱高h與拱腳處水平支撐力成反比，即端面冒頂可減小支架支撐阻力;

4)前后拱腳之間高差(h－latanα)增大，所需后拱腳支撐力增大，因此應(yīng)提高支架初撐力;支架的抬頭角增大或支架受力不平衡也會引起冒落拱前后拱腳高差的增大;

5)由于采動影響，該平衡拱發(fā)生破壞，開始向上移動，即冒落高度和范圍增加。

4 注漿對端面頂板結(jié)構(gòu)影響分析

注漿之前端面頂板上方存在起承載作用的高應(yīng)力拱，即由多個巖塊相互擠壓形成一個極限平衡的楔緊拱，拱軸線下巖體為主要冒落區(qū)域，且該冒落拱受采動影響可能向上方發(fā)展;當(dāng)注漿加固頂板時，由圖4所示，架前頂板基本處于均布載荷，端面頂板載荷約為2.4 MPa左右，表明端面頂板注漿加固層可承載上覆巖層載荷，此時端面頂板由冒落拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向簡支梁結(jié)構(gòu)。

圖4 頂板注漿加固時采場應(yīng)力等值線圖

隨著采動影響，端面頂板上方仍可形成一個應(yīng)力平衡拱，平衡拱及其上方巖體形成平衡結(jié)構(gòu)，平衡拱以下巖體主要由端面注漿加固頂板承載;因此端面注漿設(shè)計的原則就是注漿加固頂板的厚度能承載平衡拱下巖體的重量;按平面問題研究，如圖5所示，應(yīng)力調(diào)整達到圖所示應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力環(huán)境與端面注漿頂板自身力學(xué)性能相適應(yīng)，可平衡穩(wěn)定，其變形也不會進一步發(fā)展。

圖5 加固梁受力分析圖

根據(jù)材料力學(xué)梁受力理論計算［5］，最大彎矩發(fā)生在梁的兩端簡支梁計算，該處的最大拉應(yīng)力為:

式中:k1－裂隙巖體強度系數(shù);k2－長時強度系數(shù);h——加固梁厚度，m;L——頂梁與煤壁之間的距離，m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，架前頂板加固梁的載荷為3MPa左右，加固體的抗拉強度均在3MPa以上，k1一般取0.7，k2一般取0.9，代入上式得: h＞1.55 m?？紤]注漿時滲透的不均勻性和一定的安全系數(shù)，設(shè)計注漿加固厚度應(yīng)為2 m。

5 小結(jié)

1)通過對端面頂板的冒落機理分析可知:當(dāng)端面頂板破碎時，支架頂梁與架前頂板上方、煤壁前方形成一個應(yīng)力平衡拱，前拱腳位于前方煤壁內(nèi)，而后拱腳位于支架頂梁上。

2)防止端面冒頂應(yīng)采取的措施主要有:加快推進速度、減小端面距離、提高支架的支撐力、通過注漿增加端面頂板c，φ值。

3)當(dāng)采用注漿加固時，端面頂板形成固支梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算分析確定頂板加固厚度應(yīng)為2 m。

［1］ 方新秋，何杰，李海潮.軟煤綜放面煤壁片幫機理及防治研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，(5):640－644

［2］ 李令功.輕放工作面端面冒落原因分析及控制技術(shù)［J］.煤礦現(xiàn)代化，2006，(3):69

［3］ 曹勝根，錢鳴高，繆協(xié)興，劉長友.綜放開采端面頂板穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，(4):472－475

［4］ 李全生.綜采工作面頂板狀態(tài)與支護質(zhì)量監(jiān)控［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，1989

［5］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制(修訂本)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1995