崔 鵬 徐勇勇 梁新民

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于“缺陷性”特厚軟煤沖擊機(jī)理研究

崔 鵬 徐勇勇 梁新民

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

對于煤體結(jié)構(gòu)不均勻分布突變的特厚軟煤，矸石(硬煤)極容易引起的應(yīng)力集中而發(fā)生沖擊。為明確這類“缺陷性”沖擊發(fā)生機(jī)理，基于沖擊原因、結(jié)構(gòu)承載體的形成過程和應(yīng)力集聚過程分析，建立了矸石-軟煤結(jié)構(gòu)沖擊模型；基于莫爾-庫侖理論研究,得到了結(jié)構(gòu)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(dǎo)意義。

特厚軟煤 “缺陷性”沖擊機(jī)理 剪切破壞 力學(xué)條件

軟煤強(qiáng)度低、孔隙度大、膠結(jié)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(zhuǎn)移，壓力峰值離工作面距離較遠(yuǎn)、范圍較硬煤大，一般情況下沖擊可能性較小。但是當(dāng)軟煤具有“缺陷性”：工作面前方出現(xiàn)矸石或硬煤時，煤體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)因為巖性的突變會發(fā)生相應(yīng)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(dǎo)致的采動災(zāi)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(jī)理的認(rèn)識和探究，易造成較為嚴(yán)重的危害。本文通過分析特厚軟煤層的結(jié)構(gòu)承載體的破壞，研究其相關(guān)沖擊機(jī)理，對特厚軟煤體的防沖開采具有指導(dǎo)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(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)突變的地方強(qiáng)度變大、彈性變強(qiáng)，阻止了應(yīng)力向深處轉(zhuǎn)移并且集聚彈性勢能，當(dāng)承受應(yīng)力值大于結(jié)構(gòu)體承載強(qiáng)度或正常推進(jìn)破壞結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)突變誘發(fā)的“缺陷性”地壓沖擊。

1.2 原因分析

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)突變。煤炭沉積的時間長且環(huán)境條件復(fù)雜，導(dǎo)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(qiáng)度[3]。軟煤強(qiáng)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(qiáng)度遭到破壞，支撐壓力峰值向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，一般為15～25 m，支承壓力范圍為40～50 m；煤體內(nèi)部的突變矸石(硬煤)或者斷層導(dǎo)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(chǔ)條件。

(2)地質(zhì)構(gòu)造切割煤巖造成地應(yīng)力發(fā)生變化。通常在褶曲兩翼顯示應(yīng)力增大，而在褶曲中部應(yīng)力降低；斷層構(gòu)造對自重應(yīng)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(qiáng)度減小，上盤對下盤也產(chǎn)生加載作用；正常開采時應(yīng)力峰值累計疊加，容易導(dǎo)致煤巖整體失穩(wěn)。

(3)開采應(yīng)力集中。煤體開采過程中，采場上方原巖應(yīng)力向四周轉(zhuǎn)移，在工作面前方一定距離產(chǎn)生超前支承壓力，達(dá)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(jìn)向深處移動。因此，開采應(yīng)力集中是引起結(jié)構(gòu)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(jī)理研究

2.1 承載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集聚過程分析

承載結(jié)構(gòu)的形成和巖性突變有直接關(guān)系。特厚軟煤中矸石(硬煤)強(qiáng)度大，臨近工作面時支承應(yīng)力不能正常向深處轉(zhuǎn)移，壓力峰值距工作面位置變?。辉诩鄣倪^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(kuò)展，在一定時間內(nèi)強(qiáng)度不但沒有下降反而有所升高，巖性突變位置形成臨時關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，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(yīng)力和一定方向的剪應(yīng)力，由壓縮產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力通過蠕變、裂隙的發(fā)育進(jìn)行釋放或緩解，當(dāng)受力超過結(jié)構(gòu)某處抗剪強(qiáng)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(dāng)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(zhuǎn)移；下方矸石承受轉(zhuǎn)移應(yīng)力后，拉應(yīng)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(zhì)是承載結(jié)構(gòu)充當(dāng)受力介質(zhì)，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(kuò)展—承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定階段—結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)[6]，在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)失穩(wěn)。設(shè)矸石(硬煤)和軟煤組成的臨時結(jié)構(gòu)體受到的承載力為F，抗剪切強(qiáng)度為σt， 則“缺陷性”沖擊地壓機(jī)理可描述為：

F>σt.

(1)

2.2 矸石-軟煤結(jié)構(gòu)模型

承載結(jié)構(gòu)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(nèi)會產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力和一定方向的剪應(yīng)力，由壓縮產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力通過蠕變、裂隙發(fā)育進(jìn)行釋放或緩解，當(dāng)工作面前方承載結(jié)構(gòu)體內(nèi)的剪應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)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(jié)構(gòu)剪切破壞模型

2.3 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的力學(xué)條件

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

圖3 結(jié)構(gòu)剪切破壞力學(xué)分析

根據(jù)莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，破壞準(zhǔn)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(nèi)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(yīng)力σ和應(yīng)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(jìn)，上方巖石應(yīng)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(cè)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(cè)煤壁和工作面轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)力。

由上面分析過程可得出：

(4)

2.3.2 失穩(wěn)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jìn)行估算：

(5)

式中，γ0為軟煤容重；其他符號意義同前。

2.3.3 結(jié)構(gòu)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(zhì)有關(guān)；一定體積的矸石為邊緣軟煤的破壞提供了力學(xué)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(yīng)力，當(dāng)所受壓力大于矸石強(qiáng)度某一系數(shù)時，矸石受壓縮破壞發(fā)生沖擊。

3 結(jié) 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(yīng)力集中，開采應(yīng)力集中是結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yù)測[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),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(xué)出版社,2010.

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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(xué)院路30號。