唐文勝　劉小強(qiáng)　張世源　解毅

摘要：文章對(duì)小河嘴煤礦2108工作面薄煤層沿空留巷頂板運(yùn)動(dòng)模式及頂板壓力進(jìn)行了研究，提出了薄煤層開采頂板壓力計(jì)算方法，建立了小河嘴煤礦2108工作面薄煤層沿空巷道卸壓短臂梁力學(xué)模型，根據(jù)該模型進(jìn)行了小河嘴煤礦2108工作面頂板爆破孔深度和角度設(shè)計(jì)，并在該工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：薄煤層；卸壓短臂梁；力學(xué)模型；沿空留巷；煤炭開采 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD823 文章編號(hào)：1009-2374（2016）08-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.077

1 概述

由于薄煤層開采，煤層賦存厚度小，回采后煤層采空區(qū)高度較小，頂板在周期來(lái)壓作用下，將產(chǎn)生彎曲或斷裂。傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開采方式的采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)模式將煤層頂板視為一塊單向簡(jiǎn)支板，當(dāng)直接頂彎曲破壞時(shí)的極限撓度大于采空區(qū)高度時(shí)，直接頂彎曲下沉后其最低點(diǎn)觸底，但此時(shí)尚未達(dá)到斷裂破壞時(shí)的極限撓度，采空區(qū)上方頂板將以彎曲下沉為主，不產(chǎn)生折斷和垮落。本文所研究的小河嘴煤礦2108工作面，煤層平均厚度僅為0.65m，直接頂板為泥質(zhì)砂巖，工作面走向長(zhǎng)度為754m，傾向長(zhǎng)度為125m。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，煤層采空之后，頂板簡(jiǎn)支板在自重荷載的作用下彎曲下沉，其產(chǎn)生斷裂破壞時(shí)的極限撓度可用式（1）計(jì)算：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，計(jì)算頂板的極限撓度。其中q取“板”自重的均布荷載，即直接頂?shù)淖灾睾奢d，直接頂?shù)纳百|(zhì)泥巖的重度取25.5kN/m?，則q=25.5×125×20=6375kN/m，砂質(zhì)泥巖的彈性模量E=441MPa，則ω=2.46m，由于煤層較薄，3118工作面采空區(qū)的高度H=0.8m小于直接頂?shù)钠茐膿隙圈?2.46m，在其達(dá)到破壞撓度之前，其最低點(diǎn)“觸底”，不能發(fā)生“斷裂破壞”。

采空區(qū)頂板下沉過(guò)程中會(huì)拉動(dòng)巷道頂板下沉，下沉量較大時(shí)，影響巷道使用，增大了支護(hù)難度，無(wú)法達(dá)到自動(dòng)成巷的目的。

針對(duì)傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開采存在的問(wèn)題，本文提出切頂短臂梁沿空留巷力學(xué)模型，并指出頂板垂直預(yù)裂無(wú)煤柱開采采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)模式，在小河嘴煤礦2108工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2 卸壓短臂梁頂板壓力計(jì)算

薄煤層開采預(yù)裂頂板，根據(jù)相關(guān)理論和切縫高度經(jīng)驗(yàn)公式（H縫=H巷+1.5m），切縫高度為4m?；夭蛇^(guò)后被切斷的頂板直接滑落，未切斷的頂板形成懸臂梁，懸臂梁回轉(zhuǎn)變形最后發(fā)生剪切破壞。受力簡(jiǎn)化模型。式中：τ為切縫面上的剪切力；N為重力在切縫面上的分力；T為梁的旋轉(zhuǎn)力在切縫面上的分力；q為梁的自重均布荷載；MC為梁的回轉(zhuǎn)彎矩；JC為梁的截面模量；α為切縫角度；C為巖石的內(nèi)聚力；hc為梁的高度；Lc為梁的長(zhǎng)度；σ為正向應(yīng)力；γ為巖石的體積力；y是受力點(diǎn)到中性軸的距離，取hc/2；F是錨索受力。

3 卸壓短臂梁關(guān)鍵參數(shù)理論分析

薄煤層沿空巷道卸壓短臂梁關(guān)鍵參數(shù)問(wèn)題即預(yù)裂切頂角度與高度的確定和根據(jù)巖性的定向聚能爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)。

本文以小河嘴煤礦2108工作面為工程背景，以2108工作面采空區(qū)頂板賦存條件為實(shí)例，分析采用豎直預(yù)裂切縫方法的情況下頂板運(yùn)動(dòng)模式。將采空區(qū)的頂板可視為一塊“板”。在自重荷載q的作用下彎曲下沉，但是在切縫處，由于左右兩塊頂板相互擠壓，不利于頂板斷裂，直接頂不能順利垮落，而且并且會(huì)擠壓巷道上方頂板，增大巷道支護(hù)難度。

定向聚能爆破預(yù)裂切縫有明顯的角度和高度效應(yīng)：預(yù)裂切縫具有一定的角度能順利破斷直接頂，切斷巷道頂板和采空區(qū)頂板，保證煤層采空之后不會(huì)對(duì)巷道頂板造成較大影響；合理的切縫長(zhǎng)度能確保直接頂能夠在自身重力及頂板下沉變形施加到直接頂上的上覆荷載作用下，實(shí)現(xiàn)整體拉斷，為切落形成巷幫創(chuàng)造條件。

3.1 預(yù)裂切縫角度

根據(jù)前述分析和計(jì)算可知，對(duì)于薄煤層而言，由于其采空區(qū)空間有限，采用適合于中厚煤層的頂板垂直預(yù)裂切縫卸壓方式難度大，因此要求調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以保證頂板能被順利切落，減少對(duì)巷幫的作用力。根據(jù)前文頂板壓力計(jì)算得出的式（9），可計(jì)算預(yù)裂切縫角度。

3.2 預(yù)裂切縫高度

3.2.1 在切頂過(guò)程中，切縫只須一定的高度即可，采用聚能管定向爆破之后，裂紋會(huì)順著切縫的方向在直接頂?shù)膸r層中擴(kuò)展，要讓頂板順利垮落，需要讓裂縫貫通直接頂?shù)膸r層，達(dá)到直接頂和老頂巖層的交界處。此外，從頂板垮落后的填充效果來(lái)說(shuō)，預(yù)裂切斷的頂板部分垮落、被壓實(shí)之后，能夠順利填充采空區(qū)形成一個(gè)新的巷幫，需要一定的切縫長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 預(yù)裂切縫高度的確定要考慮頂板預(yù)裂切縫未貫穿部分能否在采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中順利拉斷。把采空區(qū)頂板視為懸臂梁，受力簡(jiǎn)化模型。L為直接頂懸臂梁的長(zhǎng)度；LR為巷道寬度；hg為采空區(qū)高度；hD為直接頂板懸臂梁的厚度；LQ為預(yù)裂切縫高度；q為直接頂自重產(chǎn)生的均布荷載；MD為切縫面上的回轉(zhuǎn)彎矩；σw為預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力。

3.2.3 煤層采空之后，把L長(zhǎng)度內(nèi)的直接頂視為一段懸臂梁，懸臂梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r會(huì)在切頂面上產(chǎn)生回轉(zhuǎn)彎矩MD，切頂面上預(yù)裂切縫對(duì)懸臂梁造成了損傷，損傷部分難以承受回轉(zhuǎn)彎矩，所以MD由預(yù)裂切縫未貫穿面來(lái)承擔(dān)，則預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力σw：

由式（12）～式（14）可知，預(yù)裂切縫高度LQ越大，作用于預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力σw越大。所以進(jìn)行預(yù)裂切頂時(shí)，預(yù)裂切縫高度要適當(dāng)大些，為順利拉斷預(yù)裂切縫未貫穿面創(chuàng)造條件。

4 卸壓短臂梁關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

第一，根據(jù)小河嘴2018工作面的具體情況，懸臂梁高度hc=3～4m，直接頂懸臂梁的長(zhǎng)度Lc取20～25m，b取10～15m，容重γ取23～25kN/m3則由式（9）可得出切縫角度α為9°～43°。

第二，根據(jù)前文所述式（11），式中z為巖石聲阻抗，取8×106kg（m·s2）～12×106kg（m·s2）；re為炮孔半徑，取0.04m；st為巖石的抗拉強(qiáng)度，取2～4MPa，計(jì)算得Lmin≈4.8～6.7m。因此，在4m高的孔中爆破，爆破震動(dòng)裂紋就足以破斷厚度4.95m左右的砂質(zhì)泥巖及煤層交替層。

從頂板垮落后的填充效果進(jìn)行切縫長(zhǎng)度分析：頂板的直接頂主要為4.95m厚的砂質(zhì)泥巖及煤層交替層，試將兩者均視為砂質(zhì)泥巖，則垮落的巖層厚4.95m，砂質(zhì)泥巖的殘余碎脹系數(shù)為1.10～1.15，則直接頂完全垮落之后其厚度在壓實(shí)后為5.45～5.69m，煤層采空之后，能夠達(dá)到較好的填充效果。

根據(jù)前文所述，在采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中預(yù)裂切縫未貫穿面上的拉應(yīng)力σw由式（12）至式（14）

確定。

其中，q=25.5×9×1=229.5kN/m，hD=7.12m，L取7～9m，LR=3m。預(yù)裂切縫高度LQ取4m時(shí)，可得出σw=1.4MPa。泥巖的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.3MPa，計(jì)算結(jié)果σw=1.4MPa，遠(yuǎn)大于0.3MPa。則預(yù)裂切縫高度取4m時(shí)，預(yù)裂切縫預(yù)裂切縫未貫穿部分在采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中能夠被順利拉斷。

綜上所述，取預(yù)裂切縫高度為4m。

根據(jù)在前文中計(jì)算得出結(jié)果，保證切落頂板完整性與施工的便利性，采用與鉛垂方向夾角為20°，孔間距為800mm，孔深為4000mm。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合小河嘴煤礦2108工作面的開采工程實(shí)際，利用理論分析方法進(jìn)行了薄煤層沿空巷道卸壓短臂梁關(guān)鍵參數(shù)的研究，根據(jù)薄煤層頂板運(yùn)動(dòng)模式和礦壓顯現(xiàn)特征，建立了短臂梁沿空巷道頂板運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，得出了薄煤層卸壓短臂梁沿空巷道圍巖壓力計(jì)算公式，確定了切縫角度及高度和恒阻錨索支護(hù)等關(guān)鍵參數(shù)，為薄煤層卸壓短臂梁沿空留巷成功應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）