大傾角煤層開采傾向砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

劉軍生，王 東

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719315）

0 引言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，是國內(nèi)外采礦界公認(rèn)的復(fù)雜難采煤層，廣泛分布于我國各大礦區(qū)，已探明儲(chǔ)量約為1 800～3 600億t，產(chǎn)量約為1.5～3億t，分別占全國儲(chǔ)量和產(chǎn)量的10%～20%和5%～8%。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及對(duì)煤炭資源需求的增加，大傾角煤層的安全、高產(chǎn)、高效開采技術(shù)必然會(huì)受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋ａ槍?duì)大傾角煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性特征的問題，通過大量科學(xué)研究與工程實(shí)踐表明［1-3］，大傾角煤層開采，與近水平及緩傾斜煤層圍巖變形破壞不同，大傾角圍巖破壞具有特殊特征，并總結(jié)分析了采場(chǎng)空間的變形、破壞和運(yùn)移規(guī)律，但大傾角工作面圍巖災(zāi)害事故頻發(fā)，還得對(duì)空間圍巖結(jié)構(gòu)受力特征等進(jìn)一步細(xì)化并做科學(xué)研究。

針對(duì)上述問題，在分析大傾角傾向砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立傾向砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對(duì)傾向鉸接巖塊進(jìn)行力學(xué)與理論分析，研究各鉸接點(diǎn)處的受力情況。

1 覆巖傾向砌體結(jié)構(gòu)

在大傾角煤層走向長壁開采過程中，上覆巖層在自身重力作用下出現(xiàn)裂縫，與此同時(shí)，工作面的繼續(xù)推進(jìn)使裂縫沿工作面延伸、擴(kuò)展，出現(xiàn)離層現(xiàn)象，基本頂斷裂成巖塊后，形成鉸結(jié)構(gòu)，維持短暫的砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡。當(dāng)頂板巖層的極限垮落步距大于沿工作面傾斜方向的懸伸長度時(shí)，頂板巖層所受的應(yīng)力超過了其自身的強(qiáng)度極限，繼而頂板巖層出現(xiàn)斷裂、垮落現(xiàn)象。由于大傾角煤層開采沿傾斜方向上力學(xué)特征的非對(duì)稱性，導(dǎo)致了大傾角煤層基本頂破壞呈現(xiàn)出非對(duì)稱特點(diǎn)。在重力沿傾斜面上的分力和垂直于傾斜面上的分力共同作用下，頂板斷裂巖塊和冒落后的矸石與相鄰巖塊之間發(fā)生擠壓作用，沿傾斜方向巖塊向下滑移充填，因此，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和形態(tài)受力特征，稱之為傾向砌體結(jié)構(gòu)，傾向砌體結(jié)構(gòu)存在的形式有傾向堆砌結(jié)構(gòu)和反傾向堆砌結(jié)構(gòu)［4］。傾向砌體結(jié)構(gòu)，沿工作面傾斜方向按照巖塊運(yùn)移的活躍度可分為巖塊活躍區(qū)、巖塊過渡區(qū)、巖塊穩(wěn)定區(qū)。巖塊活躍區(qū)一般發(fā)生在傾斜中上部區(qū)域，巖塊過渡區(qū)發(fā)生在傾斜中下部區(qū)域，巖塊穩(wěn)定區(qū)發(fā)生在傾斜下部區(qū)域，如圖1所示。

圖1 大傾角傾向覆巖破壞特征

2 傾向砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)工作面傾向砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，在不同區(qū)域內(nèi)傾向砌體結(jié)構(gòu)的受力特征和約束條件各不相同，假設(shè)砌體結(jié)構(gòu)巖塊間的回轉(zhuǎn)是剛性的，忽略其彈性變形，巖塊沿傾向方向長度不同，但沿工作面走向長度基本一致，并且?guī)r塊間的厚度相同［5-8］。工作面基本頂巖板斷裂后，傾向砌體結(jié)構(gòu)模型可簡化為沿工作面傾斜方向上形成3個(gè)斷裂巖塊，建立如圖2所示的傾向砌體結(jié)構(gòu)模型。

圖2 大傾角覆巖傾向砌體結(jié)構(gòu)

根據(jù)大傾角煤層長壁開采覆巖頂板沿傾向運(yùn)移垮落結(jié)構(gòu)特征以及頂板力學(xué)特征受力狀態(tài)可知，傾向砌體結(jié)構(gòu)所受載荷和約束條件不同，垮落巖塊會(huì)受到冒落矸石的支撐力、巖塊間的剪切力以及巖塊間互相擠壓推力等作用。因此，對(duì)A、B、C，3個(gè)斷裂巖塊進(jìn)行受力狀態(tài)分析，列出其平衡方程見式（1）。巖塊A受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 巖塊A受力分析

式中：θ1—巖塊A的回轉(zhuǎn)角度；G1—巖塊的自重及其承擔(dān)的載荷；FS—矸石對(duì)巖塊A的支撐力；L1—巖塊A沿傾向斷裂的長度；T1、T2、F1、F2—巖塊鉸接點(diǎn)處的剪切力和擠壓推力。巖塊B受力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 巖塊B受力分析

式中：θ2—巖塊C的回轉(zhuǎn)角度；G3—巖塊的自重及其承擔(dān)的載荷；L3—巖塊C沿傾向斷裂的長度；T3、T4、F3、F4—巖塊鉸接點(diǎn)處的剪切力和擠壓推力。

圖5 巖塊C受力分析

聯(lián)立（1），（2），（3）式可得

3 傾向砌體結(jié)構(gòu)巖體失穩(wěn)模式

大傾角煤層開采傾向砌體結(jié)構(gòu)在自身重力G1、擠壓推力Ti以及剪切力Fi等作用下，存在擠壓變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)兩種失穩(wěn)模式。

3.1 擠壓變形失穩(wěn)

通過上面對(duì)傾向砌體結(jié)構(gòu)的受力分析，根據(jù)（4）式可知，大傾角煤層開采傾向砌體結(jié)構(gòu)擠壓推力，T1＞T2＞T3＞T4，即鉸接巖塊間的擠壓推力沿工作面傾斜方向由上往下依次增大。在重力Gi，擠壓推力T1的作用下，A巖塊的鉸接點(diǎn)1進(jìn)入塑性狀態(tài)，進(jìn)而傾向砌體結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生擠壓變形失穩(wěn)，隨之B、C巖塊的鉸接點(diǎn)2、3依次進(jìn)入塑性狀態(tài)，發(fā)生擠壓變形失穩(wěn)，導(dǎo)致整個(gè)傾向砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生擠壓變形失穩(wěn)。因此，工作面傾斜方向下端處所受的擠壓強(qiáng)度應(yīng)該大于其接觸面上的平均擠壓應(yīng)力，才能保持砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，必須滿足條件，即

式中：T1—工作面傾斜下端處的擠壓力；S—工作面下端處接觸面的面積，m2；η—巖塊鉸接端處的擠壓系數(shù)，根據(jù)參考文獻(xiàn)［9］的大量測(cè)定，可取η=0.3；σc—巖塊鉸接端處的擠壓強(qiáng)度，MPa。

3.2 滑落失穩(wěn)

通過上面對(duì)傾向砌體結(jié)構(gòu)的受力分析，根據(jù)（4）式可知，大傾角煤層開采傾向砌體結(jié)構(gòu)剪力，F(xiàn)2＞F4＞F1，F(xiàn)2＞F4＞F3，即巖塊鉸接點(diǎn)2處的剪切力最大，最有可能發(fā)生滑落失穩(wěn)，鉸接點(diǎn)1、3處的剪切力大小不明確［10-11］。因此，為防止傾向砌體結(jié)構(gòu)在鉸接點(diǎn)2處發(fā)生滑落失穩(wěn)，巖塊鉸接點(diǎn)2處的擠壓推力應(yīng)該大于其所受的剪切力，必須滿足條件，即

式中：tgφ—巖塊間的摩擦系數(shù)，一般可取0.3。

4 結(jié)論

（1）大傾角煤層走向長壁開采時(shí)，沿傾斜方向巖塊易形成傾向砌體結(jié)構(gòu)，且傾斜方向不同區(qū)域巖塊運(yùn)移的活躍度不同，自上而下可分為巖塊活躍區(qū)、過渡區(qū)、穩(wěn)定區(qū)，傾向砌體結(jié)構(gòu)是大傾角煤層長壁采場(chǎng)頂板傾向破壞結(jié)構(gòu)的主要特征。

（2）根據(jù)傾向砌體結(jié)構(gòu)形成的特征，建立了傾向砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，并進(jìn)行了受力分析和穩(wěn)定性分析，給出了傾向砌體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式，主要以擠壓變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)為主，針對(duì)性地提出了傾向砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的必要條件。