大傾角煤層開采傾向砌體結構穩定性分析

劉軍生，王 東

（陜西煤業化工集團孫家岔龍華礦業有限公司，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，是國內外采礦界公認的復雜難采煤層，廣泛分布于我國各大礦區，已探明儲量約為1 800～3 600億t，產量約為1.5～3億t，分別占全國儲量和產量的10%～20%和5%～8%。近年來，隨著我國經濟的發展以及對煤炭資源需求的增加，大傾角煤層的安全、高產、高效開采技術必然會受到人們越來越多的重視。針對大傾角煤層開采覆巖結構及其穩定性特征的問題，通過大量科學研究與工程實踐表明［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，并總結分析了采場空間的變形、破壞和運移規律，但大傾角工作面圍巖災害事故頻發，還得對空間圍巖結構受力特征等進一步細化并做科學研究。

針對上述問題，在分析大傾角傾向砌體結構的基礎上，建立傾向砌體結構的力學模型，對傾向鉸接巖塊進行力學與理論分析，研究各鉸接點處的受力情況。

1 覆巖傾向砌體結構

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裂縫，與此同時，工作面的繼續推進使裂縫沿工作面延伸、擴展，出現離層現象，基本頂斷裂成巖塊后，形成鉸結構，維持短暫的砌體梁結構的穩定平衡。當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，頂板巖層所受的應力超過了其自身的強度極限，繼而頂板巖層出現斷裂、垮落現象。由于大傾角煤層開采沿傾斜方向上力學特征的非對稱性，導致了大傾角煤層基本頂破壞呈現出非對稱特點。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生擠壓作用，沿傾斜方向巖塊向下滑移充填，因此，根據其結構和形態受力特征，稱之為傾向砌體結構，傾向砌體結構存在的形式有傾向堆砌結構和反傾向堆砌結構［4］。傾向砌體結構，沿工作面傾斜方向按照巖塊運移的活躍度可分為巖塊活躍區、巖塊過渡區、巖塊穩定區。巖塊活躍區一般發生在傾斜中上部區域，巖塊過渡區發生在傾斜中下部區域，巖塊穩定區發生在傾斜下部區域，如圖1所示。

圖1 大傾角傾向覆巖破壞特征

2 傾向砌體結構穩定性分析

根據工作面傾向砌體結構的力學特征，在不同區域內傾向砌體結構的受力特征和約束條件各不相同，假設砌體結構巖塊間的回轉是剛性的，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，并且巖塊間的厚度相同［5-8］。工作面基本頂巖板斷裂后，傾向砌體結構模型可簡化為沿工作面傾斜方向上形成3個斷裂巖塊，建立如圖2所示的傾向砌體結構模型。

圖2 大傾角覆巖傾向砌體結構

根據大傾角煤層長壁開采覆巖頂板沿傾向運移垮落結構特征以及頂板力學特征受力狀態可知，傾向砌體結構所受載荷和約束條件不同，垮落巖塊會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A、B、C，3個斷裂巖塊進行受力狀態分析，列出其平衡方程見式（1）。巖塊A受力狀態如圖3所示。

圖3 巖塊A受力分析

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

圖4 巖塊B受力分析

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

圖5 巖塊C受力分析

聯立（1），（2），（3）式可得

3 傾向砌體結構巖體失穩模式

大傾角煤層開采傾向砌體結構在自身重力G1、擠壓推力Ti以及剪切力Fi等作用下，存在擠壓變形失穩和滑落失穩兩種失穩模式。

3.1 擠壓變形失穩

通過上面對傾向砌體結構的受力分析，根據（4）式可知，大傾角煤層開采傾向砌體結構擠壓推力，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1進入塑性狀態，進而傾向砌體結構就會發生擠壓變形失穩，隨之B、C巖塊的鉸接點2、3依次進入塑性狀態，發生擠壓變形失穩，導致整個傾向砌體結構發生擠壓變形失穩。因此，工作面傾斜方向下端處所受的擠壓強度應該大于其接觸面上的平均擠壓應力，才能保持砌體結構穩定，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，根據參考文獻［9］的大量測定，可取η=0.3；σc—巖塊鉸接端處的擠壓強度，MPa。

3.2 滑落失穩

通過上面對傾向砌體結構的受力分析，根據（4）式可知，大傾角煤層開采傾向砌體結構剪力，F2＞F4＞F1，F2＞F4＞F3，即巖塊鉸接點2處的剪切力最大，最有可能發生滑落失穩，鉸接點1、3處的剪切力大小不明確［10-11］。因此，為防止傾向砌體結構在鉸接點2處發生滑落失穩，巖塊鉸接點2處的擠壓推力應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，一般可取0.3。

4 結論

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

（2）根據傾向砌體結構形成的特征，建立了傾向砌體結構的力學模型，并進行了受力分析和穩定性分析，給出了傾向砌體結構失穩形式，主要以擠壓變形失穩和滑落失穩為主，針對性地提出了傾向砌體結構穩定性的必要條件。