基于“缺陷性”特厚軟煤沖擊機理研究

崔 鵬 徐勇勇 梁新民

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

基于“缺陷性”特厚軟煤沖擊機理研究

崔 鵬 徐勇勇 梁新民

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

對于煤體結構不均勻分布突變的特厚軟煤，矸石(硬煤)極容易引起的應力集中而發(fā)生沖擊。為明確這類“缺陷性”沖擊發(fā)生機理，基于沖擊原因、結構承載體的形成過程和應力集聚過程分析，建立了矸石-軟煤結構沖擊模型；基于莫爾-庫侖理論研究,得到了結構模型的破壞失穩(wěn)判據(jù)，對完善特厚煤層沖擊地壓理論具有指導意義。

特厚軟煤 “缺陷性”沖擊機理 剪切破壞 力學條件

軟煤強度低、孔隙度大、膠結性差[1],所以在開采軟煤礦體時，由于工作面前方煤體遭到破壞，支承壓力向深部轉移，壓力峰值離工作面距離較遠、范圍較硬煤大，一般情況下沖擊可能性較小。但是當軟煤具有“缺陷性”：工作面前方出現(xiàn)矸石或硬煤時，煤體內應力狀態(tài)因為巖性的突變會發(fā)生相應變化，支承壓力峰值前移，與工作面距離縮短，沖擊可能性增大。這種礦山壓力顯現(xiàn)特征導致的采動災害事故隱蔽性高，從事人員不重視軟煤開采的沖擊地壓防范治理，缺少對軟煤沖擊機理的認識和探究，易造成較為嚴重的危害。本文通過分析特厚軟煤層的結構承載體的破壞，研究其相關沖擊機理，對特厚軟煤體的防沖開采具有指導作用。

1 “缺陷性”沖擊

1.1 沖擊現(xiàn)象

通過對已發(fā)生軟煤沖擊礦山的研究，表明發(fā)生沖擊地壓的煤巖體一般屬于軟硬相間的不均質軟巖體，且硬性巖體分布較多，發(fā)生沖擊的可能性大[2]。特厚軟煤開采工程中，在有矸石(硬煤)內部結構突變的地方強度變大、彈性變強，阻止了應力向深處轉移并且集聚彈性勢能，當承受應力值大于結構體承載強度或正常推進破壞結構時發(fā)生礦壓沖擊。特厚軟煤具有集聚能量能力小、沖擊地壓隱蔽性高的特點，因此，在特厚軟煤開采中需要特別注意由于內部結構突變誘發(fā)的“缺陷性”地壓沖擊。

1.2 原因分析

(1)內部結構突變。煤炭沉積的時間長且環(huán)境條件復雜，導致特厚軟煤形成過程中出現(xiàn)不規(guī)則矸石或硬煤等特殊體，支承壓力峰值的移動主要取決于煤體強度[3]。軟煤強度低、孔隙度大，在特厚軟煤開采過程中，工作面前方一定范圍的煤體強度遭到破壞，支撐壓力峰值向煤體內部轉移，一般為15～25 m，支承壓力范圍為40～50 m；煤體內部的突變矸石(硬煤)或者斷層導致峰值移動暫停，為“缺陷性”沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了基礎條件。

(2)地質構造切割煤巖造成地應力發(fā)生變化。通常在褶曲兩翼顯示應力增大，而在褶曲中部應力降低；斷層構造對自重應力的分布也有影響，在切割移動過程中使得煤層及周圍巖體破碎且強度減小，上盤對下盤也產(chǎn)生加載作用；正常開采時應力峰值累計疊加，容易導致煤巖整體失穩(wěn)。

(3)開采應力集中。煤體開采過程中，采場上方原巖應力向四周轉移，在工作面前方一定距離產(chǎn)生超前支承壓力，達到新的平衡狀態(tài)后，回采過程中支承壓力峰值隨著工作面的推進向深處移動。因此，開采應力集中是引起結構承載體破壞的主要原因，也是“缺陷性”沖擊地壓發(fā)生的直接原因。

2 “缺陷性”沖擊機理研究

2.1 承載結構的應力集聚過程分析

承載結構的形成和巖性突變有直接關系。特厚軟煤中矸石(硬煤)強度大，臨近工作面時支承應力不能正常向深處轉移，壓力峰值距工作面位置變小；在集聚的過程中隨著支承壓力的升高，軟煤受到矸石(硬煤)的擠壓，密實后再通過蠕變造成裂隙發(fā)育、擴展，在一定時間內強度不但沒有下降反而有所升高，巖性突變位置形成臨時關鍵支撐結構，集聚彈性勢能；能量積聚過程中，矸石邊緣處軟煤產(chǎn)生橫向拉應力和一定方向的剪應力，由壓縮產(chǎn)生的橫向拉應力通過蠕變、裂隙的發(fā)育進行釋放或緩解，當受力超過結構某處抗剪強度時煤體整體失穩(wěn)發(fā)生沖擊，如圖1所示。圖1(a)為軟煤中沒矸石時支承壓力的分布情況，圖1(b)是工作面煤體中有矸石或硬煤的情況。當矸石位置錯開時，上方矸石起到臨時懸頂作用，下方部分軟煤發(fā)生破碎支承壓力向深處矸石(硬煤)轉移；下方矸石承受轉移應力后，拉應力得不到充分釋放發(fā)生破碎。

圖1 特厚軟煤中有矸石、沒矸石的支承壓力分布示意

“缺陷性”沖擊地壓的實質是承載結構充當受力介質，破壞過程表現(xiàn)為：工作面前方軟巖的垂直壓縮—裂隙發(fā)育、擴展—承載結構穩(wěn)定階段—結構剪切失穩(wěn)發(fā)生沖擊；承載體易于儲蓄變性能，破壞形式表現(xiàn)為彈性變形階段后的膨脹剪切破壞沖擊。根據(jù)軟煤和矸石(硬煤)的力學性質[6]，在結構體承受足夠的支承壓力后，軟煤裂隙貫通增生速度急劇加快，發(fā)生剪切破壞引起整體結構失穩(wěn)。設矸石(硬煤)和軟煤組成的臨時結構體受到的承載力為F，抗剪切強度為σt， 則“缺陷性”沖擊地壓機理可描述為：

F>σt.

(1)

2.2 矸石-軟煤結構模型

承載結構體分為矸石(硬煤)和矸石邊緣處的軟煤兩部分。對于軟煤工作面而言，在煤體自重及超前支承壓力的作用下，工作面前方煤體內會產(chǎn)生橫向拉應力和一定方向的剪應力，由壓縮產(chǎn)生的橫向拉應力通過蠕變、裂隙發(fā)育進行釋放或緩解，當工作面前方承載結構體內的剪應力大于抗剪強度時發(fā)生剪切滑動破壞。實際上大部分剪切滑動面為曲面，考慮到工作面前端有一定體積的矸石，發(fā)生剪切時工作面破壞程度較大，且剪切不大于煤層厚度，為方便計算，將其簡化為平面(見圖2)。

圖2 結構剪切破壞模型

2.3 結構失穩(wěn)的力學條件

如圖3，工作面前方受到超前支承壓力q，假設軟煤體中存在一定尺寸的矸石(硬煤)且具有相應的承載能力，當工作面臨近矸石時，應力轉移受阻，支承壓力峰值增大，直到應力值超過軟煤的抗剪強度，發(fā)生剪切破壞。

圖3 結構剪切破壞力學分析

根據(jù)莫爾-庫侖強度理論，破壞準則可表述為沿著剪切面，軟煤的抗剪力σt減去該面上的滑動力F，若該值小于0，則煤壁發(fā)生剪切破壞，其中N、F是由超前支承壓力和破壞體自重兩部分組成。安全余量n為

n=σt-F=cHsecβ+Ntanφ-F<0 ,

(2)

式中，c為軟煤黏聚力；φ為軟煤內摩擦角；N為剪切面上的法向力；H為剪切面破壞高度；β為剪切面與煤壁的夾角。

2.3.1 工作面支承壓力估算

工作面超前支承壓力q由自重應力σ和應力增量Δσ兩部分組成。近水平煤層回采時，隨著工作面的推進，上方巖石應力狀態(tài)發(fā)生變化，在巖重作用下先發(fā)生離層然后跨落，采場后方的跨落巖石以自由安息角的形式堆積，采場前方和側壁離層角度由巖層移動控制，如圖4(a)；采場上方的直接頂由支架支撐，直接頂上方巖重通過巖層移動角向兩側煤壁和工作面轉移，等分傳遞到三方巖煤體，且呈等

腰三角形分布,工作面上方巖重和傳遞應力組成支承壓力q，如圖4(b)所示。

圖4 工作面支承壓力計算模型

估算工作面支承壓力：

(3)

式中，γ為巖石容重，25 kN/m3;α為巖層移動角；Y為直接頂頂板到地表的高度；σmax為采場上方巖重傳遞到工作面的最大應力。

由上面分析過程可得出：

(4)

2.3.2 失穩(wěn)結構破壞體自重估算

回采過程中，超前支承壓力集中作用在軟煤中的矸石，致使邊緣軟煤產(chǎn)生高剪切應力發(fā)生破壞，不同條件下采放比和放煤步距不一樣，本文采用兩刀一放的放煤方式，放煤步距為1.6m，采放比0.4，利用破壞模型圖3對破壞體自重進行估算：

(5)

式中，γ0為軟煤容重；其他符號意義同前。

2.3.3 結構失穩(wěn)判據(jù)

由式(3)可知，寬為l 的矸石(硬煤)上方支承壓力和為：

(6)

(7)

式中，l為矸石水平投影長度。

將式(6)代入式(2),得到工作面剪切破壞判據(jù)為：

(8)

由此可以知道，軟煤工作面是否發(fā)生剪切破壞主要在于支承壓力，與軟煤中矸石煤體性質有關；一定體積的矸石為邊緣軟煤的破壞提供了力學條件。矸石尺寸過小時，不能為剪切破壞提供足夠的支承壓力；矸石尺寸過大時，阻止了剪切面移動，支承壓力成為破壞工作面的主要應力，當所受壓力大于矸石強度某一系數(shù)時，矸石受壓縮破壞發(fā)生沖擊。

3 結 論

(1)特厚軟煤發(fā)生“缺陷性”沖擊的主要原因是矸石(硬煤)引起的應力集中，開采應力集中是結構承載體破壞的直接原因。

(2)利用莫爾-庫侖理論，在超前支承壓力及煤體自重的作用下，通過分析軟煤的破壞形式，建立了矸石-軟煤破壞模型，并提出了相應失穩(wěn)判據(jù)。

[1] 王永巖.軟巖巷道變形與壓力分析控制及預測[D].阜新:遼寧工程技術大學,2001.

[2] 杜長勝,陳方山,張春龍.極軟特厚煤層放頂煤礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J]. 礦山壓力與頂板管理, 2001(1):34-35.

[3] 錢鳴高,石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2010.

[4] 蔡美峰,何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社,2011.

[5] 王富林.松軟煤層采場前方支承壓力分布特征及圍巖控制研究[D].焦作：河南理工大學,2012.

[6] 王家臣.極軟厚煤層煤壁片幫與防治機理[J].煤炭學報,2007，32(8):786-788.

Research on the Impact Mechanism of the "Defective" Thick and Soft Coal

Cui Peng Xu Yongyong Liang Xinmin

(School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing)

For the structure mutation thick and soft coal, coal gangue (coal tone) is very easy to cause stress concentration and impact. In order to clarify this kind of "defective" impact mechanism, based on analyzing the impact reason, formation process of structure bearing body and stress concentration process, the wast rock-soft coal structural impact model is established. Based on Mohr-Coulomb theory, the failure criterion of instability of the model is obtained, it has a guiding significance to the perfecting the theory of percussive ground pressure.

Thick and soft coal, "Defective" impact mechanism, Shear failure, Mechanical condition

2015-04-24)

崔 鵬(1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學院路30號。