全支撐應力場下采場頂板損傷特征及釋能估算

任智敏，呂夢蛟，王永安，王孝義，王神虎，張廣太

(1.山西工程職業學院 礦業工程系，山西 太原 030009；2.山西能源學院 礦業工程系，山西 晉中 030600；3.潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 032600)

0 引 言

隨著煤炭的采出，原巖平衡態被打破，直接表現為巖層運動[1]。其中，頂板斷裂與巖層損傷密切相關，本質上是應力場作用的結果，探索不同應力環境下煤巖層損傷、破裂和能量演化，是判斷巖層運動力學效應的理論基礎[2]。關于頂板損傷方面的理論研究主要從應力分布和裂隙擴展的視角分析采場“應力拱”及“裂隙拱”的演化規律[3]。根據超大采高采面巖層破斷的應力路徑，提出頂板的“懸臂梁+砌體梁”結構，獲得頂板斷裂狀態及形式[4]。利用動力學理論推導得到使頂板斷裂的力矩解析式，分析斷裂位置與力矩的關系[5]。基于損傷力學理論，引入巖層損傷參數獲得巖層的最大破壞深度表達式[6]。建立沿采面推進方向的承壓拱力學模型，分析采煤工作面頂板類橢球體應力集中區的幾何尺寸及演化過程[7]。此外還有通過相似模擬試驗和現場觀測的方法研究頂板斷裂特征及來壓強度[8-9]。相關研究發現，頂板損傷分布與頂板所受支撐狀況密切相關，為此有些研究聚焦于不同支撐條件下的頂板運動損傷特征。例如，采用彈、塑性地基理論[10]，推導獲得煤層彈、塑性區的頂板支反力表達式，分析頂板結構周期性損傷的演化形態和位置[11-12]。建立體現原巖區、支撐區、采空區、重新壓實區作用的頂板受力模型，提出頂板會受到動態和靜態兩類支反力，頂板損傷破斷后的運動由動態支反力主控，損傷外圍的荷載轉移受靜態支反力主控[13-14]。……