急傾斜工作面支架穩(wěn)定性分析

馬淑胤

(安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室， 安徽 淮南 232001)

通過大量研究與實踐表明，在井下進行的采礦活動，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，研究覆巖空間活動規(guī)律，以及從頂板角度對支架進行穩(wěn)定性分析。但是缺乏從底板角度對支護體系穩(wěn)定性研究。

同時，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理。但是同樣缺乏對底板破壞滑移體運動的進一步研究，以及對影響工作面支架穩(wěn)定性分析。因此，對急傾斜工作面底板破壞進一步進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整個支架圍巖系統(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，底板破壞滑移將會造成支架失穩(wěn)倒斜，降低支護體系有效支撐力，減小支護體系穩(wěn)定性，增大了支護體系破壞趨勢，造成圍巖失穩(wěn)。

工作面底板巖層破壞是與底板巖層在開采后引起應(yīng)力重新分布有關(guān)。隨著工作面向前推進，工作面底板巖層經(jīng)歷了應(yīng)力集中-卸載-再集中的情況，又受到工作面支護設(shè)備對底板的反復(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)理裂隙會隨著巖體受力卸載松馳而進一步擴展和貫通破壞。

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)機理，我們把圖1簡化為圖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，底板破壞對支架產(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行邊坡穩(wěn)定極限分析，通過虛功原理推導(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。還有支架對滑移塊體的附加力G1與頂板傾向正壓作用的分力W1，并對楔形塊體建立靜力平衡方程，見式(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)條塊通過傾斜邊界AB作用于左側(cè)楔形滑移體的力。

如果計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”Pl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)的標量表達形式見式(2)。

(2)

式中ψl為重力與Vl夾角。

安全系數(shù)F定義見式(3)。

(3)

式(3)代入式(2)，得出安全系數(shù)F表達式(4)。

(4)

2 工作面底板破壞對支架穩(wěn)定影響機制分析

在工作面垂直方向上頂板-支架-底板體系中，底板可以說是該體系穩(wěn)定的基礎(chǔ)，也就是說工作面底板控制是對設(shè)備與頂板穩(wěn)定性控制基礎(chǔ)。從該意義上來說，底板破壞與滑移控制效果對支架-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)備對底板造成附加力情況下安全系數(shù)F，當F>1時，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F<1時，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)力作用下會導(dǎo)致節(jié)理裂隙進一步擴展，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)生運動，這種運動由于重力與煤層傾角共同作用存在顯著下滑特點，由于底板破壞楔形滑移體與母巖之間約束較小，且運動空間大，因此會出現(xiàn)楔形滑移塊體大范圍下滑，最后會出現(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)下底板破壞滑移對支架影響要在底板滑移基礎(chǔ)上進行，通過對底板破壞安全系數(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)點系(剛體)動能定理進行頂板運動特征描述。根據(jù)碰撞沖量作用下動力學(xué)方程[9]，見式(5)。

(5)

因為支架和該結(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)對支架瞬時間Δt正壓力近似均值。

砌體結(jié)構(gòu)對支架切向反作用可以通過瞬間滑動摩擦定律解釋，見式(9)。

(9)

式中：Fx為結(jié)構(gòu)對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(為問題簡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。通過對支架進行受力分析，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，此時支架與頂板支架之間受力是支架滑移關(guān)鍵。當Fx大于抗滑力f1與底板破壞滑移同時作用時，工作面支架會沿著傾向產(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。在支架滑移情況中，已經(jīng)對支架與頂?shù)装逯g進行了受力分析。

由于底板破壞滑移由質(zhì)點C運動到質(zhì)點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，若Fx小于抗滑力f1，并且與底板破壞滑移同時作用時，支架會以A點為基點，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對底板破壞煤層傾角進行單因素分析。

4.1 計算模型

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

圖5 計算模型

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)致破壞范圍不斷擴大，進而底板破壞越嚴重。

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)，并有向中下部擴大的趨勢。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)向工作面中部擴大。圖8中煤層傾角為60°情況，更為嚴重，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大趨勢，但是應(yīng)力最大值始終在工作面中上部，當開采活動進行，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。無論支架對底板出于任何狀態(tài)，傾角對底板都有影響，當傾角越大時，工作面底板破壞就越嚴重，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。

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