基于梁式破斷理論的厚煤層堅硬頂板破斷機理分析

耿春雷

(晉煤集團晟泰公司，山西 晉城 048000)

引 言

當采空區推進距離逐漸變大時，懸露頂板面積加大，在自重狀態下，頂板會發生彎曲，巖層內部產生大范圍的裂縫，且裂縫不斷擴展，關鍵層垮落。由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度[1-2]，所以頂板很容易被拉斷，發生垮落，產生峰值載荷。如果上覆巖層強度較高，那么，只有當采空區面積較大時，頂板才發生垮落，而單體液壓支柱支承的壓力較小，難以抵抗頂板的大面積沖擊。本文采用理論分析的方法對山西某礦4-2號厚煤層工作面堅硬頂板的預裂爆破技術進行研究，從而為煤層的開采提供了科學依據。

1 煤層概況

4-2號煤層位于4-1號煤層之下，從北向南距4-1號煤的距離逐漸變大。4-2號煤層厚度在5.12 m～5.92 m，平均厚度為5.62 m，含2層～3層夾矸，屬于穩定型厚煤層，煤體結構較為復雜，全井田可采。4-1號和4-2號未合并區煤層采用走向長壁綜放式開采。4-1號和4-2號合并區厚度大， 設計采用綜放分層開采工藝。本文所研究的堅硬頂板預裂爆破技術進行4-2號煤層單獨開采區域，且距4-1號煤層的距離大。

2 堅硬頂板垮落步距分析

隨著工作面的不斷推進，堅硬頂板較難及時垮落故懸露范圍越來越大，而懸露頂板的兩端都有前、后煤柱作為支撐體，則可視作平面應變問題。

頂板初次來壓時，依據堅硬頂板的受力特點，可將頂板簡化為兩端受關鍵墊層支撐、上部受均布載荷作用的連續介質梁[3]。簡化后的力學模型示意圖見圖1所示。

圖1 初次來壓堅硬頂板力學模型示意圖

墊層對堅硬頂板的支撐力可用公式(1)計算。

P=-ky

(1)

式中：P為墊層對堅硬頂板的支撐力，kN；k為地基系數，kN/mm；y為梁的撓度，mm。

地基系數可用公式(2)計算。

(2)

式中：E0為關鍵墊層的楊氏模量，GPa；h0為關鍵墊層的厚度，m。

由圖1可以看出，堅硬頂板的受力關于其中心位置對稱，故為了簡便分析，取連續介質梁的一半進行研究。簡化后的計算模型見圖2所示。

圖2 初次來壓堅硬頂板計算模型示意圖

根據圖2以及材料力學理論可得公式(3)以及公式(4)。

(3)

M=EIy″

(4)

當考慮彈性地基基礎時，彎矩M可用公式(5)和公式(6)計算。

當-l≤x≤0時，

M=q[0.5x2+lx+0.5(1-2α)l2]

(5)

當x>0時，

(6)

對于巖石來說，其抗拉強度一般只有抗壓強度的1/20～1/10，當彎矩達到極大值時，可得到梁的跨斷位置。

設頂板極限初次垮落步距為L初次，則可得公式(7)。

L初次=2(l+x2)

(7)

當分析力學模型時不考慮彈性地基基礎時，則堅硬頂板在兩頭固定端位置發生破斷失穩。此時：

Mmax=ql2/3

則，可得公式(8)。

(8)

故由此得到的頂板極限初次垮落步距為：

當堅硬頂板初次垮落后，可將頂板簡化為懸臂梁結構，該結構下部受到采場支架的支撐作用，上部依然受到均布載荷作用。簡化后的堅硬頂板計算模型見圖3所示。

由于頂板的懸露范圍遠大于采場支架的支撐寬度，故在計算堅硬頂板的周期垮落步距時只需要考慮圖3中的CD段頂板彎矩。CD段頂板彎矩通過公式(9)計算。

M=0.5q(l+l支架-x)2

(9)

圖3 周期來壓堅硬頂板計算模型示意圖

代入公式(8)可得公式(10)。

l≤h(σc/30q)

(10)

故，由此得到的頂板極限周期垮落步距為公式(11)。

L周期=h(σc/30q)

(11)

由公式(7)和公式(11)得到4-2號煤層堅硬頂板的初次垮落步距和周期垮落步距分別為49 m和30 m。

3 堅硬頂板破斷特征分析

鑒于堅硬頂板的硬度極大，強度極高，這就使得堅硬頂板的垮落步距極大，破斷具有瞬時性，同時，破斷頂板表現出較高的完整性，對采場很容易造成沖擊礦壓現象。故，需要對厚煤層堅硬頂板的破斷特征進行分析。

圖4表示了頂板巖層隨工作面開挖而產生的破斷失穩示意圖，在工作面推進過程中，覆巖首先發生“O～X”破斷形式，隨后逐漸轉化為“楔形”破斷。圖4中的A1、A2和A3分別表示了覆巖破斷3個不同階段的破損線。

圖4 頂板破斷失穩示意圖

第一階段：覆巖懸露范圍隨著工作面的不斷推進而增大，當工作面開挖至一定距離，臨近場邊中部位置的覆巖開始發生破斷，同時，產生A1破損線，該破損線會沿著短邊擴展延伸。

第二階段：當A1破損線擴展到一定范圍，短邊中間位置的覆巖也開始發生破斷，并產生A2破損線，該破損線沿著邊界繼續發育，直到與A1破損線相互貫通，從而形成“O”破斷。

第三階段：工作面繼續推進，覆巖中部位置也開始發生破斷，產生A3破損線，同時，該破損線沿著A1和A2破損線形成的交點擴展，從而形成“X”破斷。這就是采場覆巖破斷的“O～X”形式。

在工作面推進過程中，3條破損線形成的“O～X”破斷形式將覆巖破裂為4塊區域，同時，頂板發生初次垮落。

頂板初次垮落后，上述分析中的3條破損線依次循環出現，頂板周期垮落。

4 結束語