急傾斜工作面支架穩(wěn)定性分析

馬淑胤

(安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

通過(guò)大量研究與實(shí)踐表明，在井下進(jìn)行的采礦活動(dòng)，破壞了煤巖體原巖應(yīng)力，使得其應(yīng)力重新分布。伍永平提出急傾斜“R-S-F”系統(tǒng)中，由于工作面急傾斜特殊性，使得采煤空間圍巖破壞與緩傾斜工作面圍巖不同，導(dǎo)致在工作面垂直方向上，頂板-支架-底板的系統(tǒng)中，支架存在擠壓型失穩(wěn)、下滑失穩(wěn)、傾倒失穩(wěn)三種失穩(wěn)方式[1-4]。而解盤(pán)石等[6-7]在傾斜砌體結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上，研究覆巖空間活動(dòng)規(guī)律，以及從頂板角度對(duì)支架進(jìn)行穩(wěn)定性分析。但是缺乏從底板角度對(duì)支護(hù)體系穩(wěn)定性研究。

同時(shí)，石平五等[8]也指出底板破壞后滑移體多為楔形體或平行四邊形的滑移機(jī)理。但是同樣缺乏對(duì)底板破壞滑移體運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步研究，以及對(duì)影響工作面支架穩(wěn)定性分析。因此，對(duì)急傾斜工作面底板破壞進(jìn)一步進(jìn)行研究有助于工作面支架的穩(wěn)定性控制。

1 頂、底板與支架共同作用力學(xué)模型

煤層傾角在45°以上急傾斜煤層工作面，由于工作面底板破壞滑移對(duì)整個(gè)支架?chē)鷰r系統(tǒng)有著重要影響，是可能造成支架失穩(wěn)傾倒，造成圍巖大范圍破壞主要因素。在工作面垂直方向上“頂板-支架-底板”系統(tǒng)中，底板破壞滑移將會(huì)造成支架失穩(wěn)倒斜，降低支護(hù)體系有效支撐力，減小支護(hù)體系穩(wěn)定性，增大了支護(hù)體系破壞趨勢(shì)，造成圍巖失穩(wěn)。

工作面底板巖層破壞是與底板巖層在開(kāi)采后引起應(yīng)力重新分布有關(guān)。隨著工作面向前推進(jìn)，工作面底板巖層經(jīng)歷了應(yīng)力集中-卸載-再集中的情況，又受到工作面支護(hù)設(shè)備對(duì)底板的反復(fù)附加力作用，導(dǎo)致底板巖層內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生了很大變化。原來(lái)處在壓縮狀態(tài)底板巖層應(yīng)力將迅速卸除，底板內(nèi)部節(jié)理裂隙會(huì)隨著巖體受力卸載松馳而進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通破壞。

圖1為急傾斜工作面示意圖，為了分析底板的破壞形式，借助邊坡失穩(wěn)機(jī)理，我們把圖1簡(jiǎn)化為圖2形式。如圖2所示，我們分析支架在受到頂板傾向正壓作用時(shí)，底板破壞對(duì)支架產(chǎn)生的影響。

圖1 急傾斜工作面示意圖

假設(shè)底板巖層破壞滑移塊體為楔形體，力學(xué)模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

根據(jù)圖2所示底板破壞楔形體力學(xué)模型，可以把急傾斜工作面看成為邊坡體，底板破壞看成是邊坡楔形滑坡體破壞，這樣我們把急傾斜工作面底板進(jìn)行邊坡穩(wěn)定極限分析，通過(guò)虛功原理推導(dǎo)安全系數(shù)F。

設(shè)作用在底板楔形滑塊體的體積力為Wl，作用在滑面上的切向力可分成兩個(gè)部分，一部分為凝聚力Cl,e，其值為cl,eA，另一部分為法向力形成的摩擦力與法向力Nl構(gòu)成的合力Pl,e，即“組合摩擦力”，它與滑面法向夾角φe。還有支架對(duì)滑移塊體的附加力G1與頂板傾向正壓作用的分力W1，并對(duì)楔形塊體建立靜力平衡方程，見(jiàn)式(1)。

圖2 傾向正壓作用下支架與底板的力學(xué)模型

W1+G1+Wl+pl,e+Pj,e+Cl,e+Cj,e=0

(1)

式中Pj,e和Cj,e為右側(cè)條塊通過(guò)傾斜邊界AB作用于左側(cè)楔形滑移體的力。

如果計(jì)算外力在該楔形體沿速度Vl上作的功，那么由于作用在底滑面和界面上未知“組合摩擦力”P(pán)l和Pj分別與Vl和Vj垂直，故而，這些未知內(nèi)力沿該位移所作的功均為零。則式(1)的標(biāo)量表達(dá)形式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中ψl為重力與Vl夾角。

安全系數(shù)F定義見(jiàn)式(3)。

(3)

式(3)代入式(2)，得出安全系數(shù)F表達(dá)式(4)。

(4)

2 工作面底板破壞對(duì)支架穩(wěn)定影響機(jī)制分析

在工作面垂直方向上頂板-支架-底板體系中，底板可以說(shuō)是該體系穩(wěn)定的基礎(chǔ)，也就是說(shuō)工作面底板控制是對(duì)設(shè)備與頂板穩(wěn)定性控制基礎(chǔ)。從該意義上來(lái)說(shuō)，底板破壞與滑移控制效果對(duì)支架-圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定和圍巖災(zāi)變具有決定性意義[5]。

考慮工作面設(shè)備對(duì)底板造成附加力情況下安全系數(shù)F，當(dāng)F>1時(shí)，底板雖然塑性破壞并且存在裂隙，但是底板楔形破壞抗滑力大于底板楔形破壞下滑力，破壞楔形體不產(chǎn)生下滑。當(dāng)F<1時(shí)，底板楔形破壞抗滑力小于底板楔形破壞下滑力，底板巖層由于塑性破壞，巖體內(nèi)部在應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，最后貫通破壞。巖體破壞后產(chǎn)生滑移塊體(該塊體可看成楔形體)，楔形體脫離底板產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)由于重力與煤層傾角共同作用存在顯著下滑特點(diǎn)，由于底板破壞楔形滑移體與母巖之間約束較小，且運(yùn)動(dòng)空間大，因此會(huì)出現(xiàn)楔形滑移塊體大范圍下滑，最后會(huì)出現(xiàn)“連續(xù)破壞現(xiàn)象”，在這種底板破壞狀態(tài)下，更容易造成支架失穩(wěn)。

3 傾向正壓狀態(tài)下 “底板-支架”系統(tǒng)失穩(wěn)

分析傾向正壓狀態(tài)下底板破壞滑移對(duì)支架影響要在底板滑移基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過(guò)對(duì)底板破壞安全系數(shù)F分析可知，以下分析均在安全系數(shù)F<1情況下進(jìn)行。

根據(jù)大傾角工作面相關(guān)研究結(jié)果[5]，工作面支架與圍巖相互作用會(huì)使支架產(chǎn)生三種方式失穩(wěn)：①傾向滑移失穩(wěn)；②順向傾倒失穩(wěn)；③逆向傾倒失穩(wěn)。而本文研究支架受到傾斜方向頂板正壓作用，同時(shí)受到底板破壞滑移影響，導(dǎo)致產(chǎn)生支架滑移失穩(wěn)和支架順向傾倒兩種失穩(wěn)方式。

3.1 支架傾向滑移失穩(wěn)

3.3.1 頂板與支架作用分析

假設(shè)頂板砌體結(jié)構(gòu)受到理想約束，使用質(zhì)點(diǎn)系(剛體)動(dòng)能定理進(jìn)行頂板運(yùn)動(dòng)特征描述。根據(jù)碰撞沖量作用下動(dòng)力學(xué)方程[9]，見(jiàn)式(5)。

(5)

因?yàn)橹Ъ芎驮摻Y(jié)構(gòu)作用是非完全塑性。碰撞之后一部分能量使得結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性形變，這種情況可用恢復(fù)因數(shù)e描述，由于巖性不同，確定恢復(fù)系數(shù)e為0.3～0.5，則恢復(fù)階段碰撞沖量(法向沖量)見(jiàn)式(6)。

(6)

式中：hx為正壓砌體結(jié)構(gòu)與支架的高度；m為砌體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；α煤層傾角。

(7)

(8)

式中，F(xiàn)y為結(jié)構(gòu)對(duì)支架瞬時(shí)間Δt正壓力近似均值。

砌體結(jié)構(gòu)對(duì)支架切向反作用可以通過(guò)瞬間滑動(dòng)摩擦定律解釋?zhuān)?jiàn)式(9)。

(9)

式中：Fx為結(jié)構(gòu)對(duì)支架瞬間切向作用力；μ為頂板巖層與支架之間的靜摩擦因數(shù)[3],一般取0.222～0.819；N為法向約束反力。

圖3 正壓狀態(tài)下支架傾向滑移失穩(wěn)

3.1.2 底板與支架作用分析

如圖3所示，f2是支架與底板之間摩擦力，μ(為問(wèn)題簡(jiǎn)化此處與頂板巖層與支架之間靜摩擦因數(shù)相同)為靜摩擦因數(shù)，Wg為頂板的重力，G為支架重力。通過(guò)對(duì)支架進(jìn)行受力分析，可得式(10)。

f2=μf′=

(10)

根據(jù)以上分析可知，底板安全系數(shù)F<1，說(shuō)明底板受力破壞并有產(chǎn)生滑移。在底板與支架一直保持靜摩擦力f2情況下，支架與底板始終隨著底板與支架一起滑移，此時(shí)支架與頂板支架之間受力是支架滑移關(guān)鍵。當(dāng)Fx大于抗滑力f1與底板破壞滑移同時(shí)作用時(shí)，工作面支架會(huì)沿著傾向產(chǎn)生支架傾向滑移失穩(wěn)。

3.2 支架順向傾倒失穩(wěn)

如圖4所示，點(diǎn)B、C、D、E分別是支架、底板楔形滑移體前后、及頂板結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)。在支架滑移情況中，已經(jīng)對(duì)支架與頂?shù)装逯g進(jìn)行了受力分析。

由于底板破壞滑移由質(zhì)點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)到質(zhì)點(diǎn)D，在底板與支架一直保持靜摩擦力f2情況下，支架隨著底板一起滑移。此時(shí)，若Fx小于抗滑力f1，并且與底板破壞滑移同時(shí)作用時(shí)，支架會(huì)以A點(diǎn)為基點(diǎn)，產(chǎn)生順向傾倒失穩(wěn)。

圖4 支架順向傾倒失穩(wěn)

4 數(shù)值模擬

結(jié)合上述分析結(jié)果，可以看出煤層傾角α也是影響底板破壞重要因素，以某礦3232(3)工作面工程為例，采用有限差分程序FLAC3D對(duì)底板破壞煤層傾角進(jìn)行單因素分析。

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程條件，應(yīng)用有限差分程序FLAC3D，工程地質(zhì)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

4.2 模擬結(jié)果單因素分析

1)在圖6～8中，工作面長(zhǎng)度都為110m，煤層傾角分別為40°、50°、60°，其最大水平應(yīng)力分別為1.84MPa，2.12MPa，2.4MPa，隨著煤層傾角增加，工作面底板都會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，且以剪應(yīng)力破壞為主。這種應(yīng)力集中主要集中在工作面底板中、上部，并且隨著煤層傾角增加，應(yīng)力集中導(dǎo)致破壞范圍不斷擴(kuò)大，進(jìn)而底板破壞越嚴(yán)重。

2)在圖6中，煤層傾角為40°垂直應(yīng)力在底板處最大值約為8.3MPa，應(yīng)力集中在工作面底板中上部區(qū)域內(nèi)，并有向中下部擴(kuò)大的趨勢(shì)。在圖7中，由于工作面底板傾角增加，底板應(yīng)力集中范圍繼續(xù)向工作面中部擴(kuò)大。圖8中煤層傾角為60°情況，更為嚴(yán)重，底板應(yīng)力集中破壞情況，繼續(xù)向底板深處，以及工作面中下部擴(kuò)大，但是其主要應(yīng)力集部分還是在工作面中上部。

表1 C13煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)特征參數(shù)

圖6 工作面長(zhǎng)度為110m，煤層傾角40°水平應(yīng)力(上圖)與垂直應(yīng)力(下圖)分布情況

圖7 工作面長(zhǎng)度為110m，煤層傾角50°水平應(yīng)力(上圖)與垂直應(yīng)力(下圖)分布情況

圖8 工作面長(zhǎng)度為110m，煤層傾角60°水平應(yīng)力(上圖)與垂直應(yīng)力(下圖)分布情況

綜上所述，從圖6～8中可以得出，由于煤層傾角增加，工作面底板應(yīng)力集中向工作面中下部擴(kuò)大趨勢(shì)，但是應(yīng)力最大值始終在工作面中上部，當(dāng)開(kāi)采活動(dòng)進(jìn)行，使得底板產(chǎn)生塑性破壞。這種破壞隨著煤層傾角增加而增大。

5 結(jié)論

1)底板安全系數(shù)F<1情況下，支架受到傾向正壓狀態(tài)，以及底板滑移共同作用下，產(chǎn)生支架滑移失穩(wěn)和支架順向傾倒兩種失穩(wěn)方式。

2)急傾斜煤層傾角是底板破壞最重要因素之一。無(wú)論支架對(duì)底板出于任何狀態(tài)，傾角對(duì)底板都有影響，當(dāng)傾角越大時(shí)，工作面底板破壞就越嚴(yán)重，并且工作面支架受到傾向正壓以及底板滑移共同作用下高發(fā)區(qū)在工作面中上部。

[1] 伍永平.大傾角煤層開(kāi)采“頂板-支護(hù)-底板”系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(6)：685-690.

[2] 伍永平，員東風(fēng)，張淼豐.大傾角煤層綜采基本問(wèn)題研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25(5)：624-628.

[3] 伍永平.大傾角煤層開(kāi)采“R-S-F”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制基礎(chǔ)研究[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[4] 伍永平.“頂板-支護(hù)-底板”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制模式[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(4)：341-346.

[5] 伍永平.大傾角煤層開(kāi)采“頂板-支護(hù)-底板”系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29( 5)：527- 531.

[6] 解盤(pán)石,伍永平,王紅偉,等.大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采覆巖空間活動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(9):1-5.

[7] 解盤(pán)石,伍永平,王紅偉,等.大傾角煤層長(zhǎng)壁采場(chǎng)傾斜砌體結(jié)構(gòu)與支架穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(8):1275-1280.

[8] 石平五,等.大傾角煤層底板(層狀介質(zhì))滑移機(jī)理及防治[R].西安：西安礦業(yè)學(xué)院，1998.

[9] 徐燕侯，郭長(zhǎng)銘，周凱元，等.理論力學(xué)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2000.