工作面開采煤壁超前支承應(yīng)力演化規(guī)律分析與計算

工作面開采煤壁超前支承應(yīng)力演化規(guī)律分析與計算崔立軍;王國瑞【摘要】基于極限平衡理論和煤體的極限承載能力，推導(dǎo)出了工作面煤壁超前支承應(yīng)力影響范圍的表達式.以此為出發(fā)點，分別對工作面開采階段覆巖層中關(guān)鍵層破斷前后煤壁超前支承應(yīng)力演化規(guī)律進行了分析與計算.通過理論計算分析和實際工程驗證結(jié)果表明，上覆巖層中關(guān)鍵層破斷后，其工作面煤壁超前支承應(yīng)力的峰值大小和影響范圍較關(guān)鍵層破斷前小.【期刊名稱】《煤礦安全》【年(卷)，期】2018(049)006【總頁數(shù)】4頁(P225-228)【關(guān)鍵詞】超前支承應(yīng)力;關(guān)鍵層破斷;集中系數(shù);影響范圍;礦山壓力【作者】崔立軍;王國瑞【作者單位】內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010;內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010010【正文語種】中文【中圖分類】TD323煤礦開采過程中，當(dāng)煤層上覆巖層中存在厚硬關(guān)鍵層時，開采弓I起的大面積采空區(qū)懸頂將會誘發(fā)覆巖層中的厚硬關(guān)鍵層突然破斷釋放能量，進而導(dǎo)致一系列動態(tài)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重制約煤礦的安全生產(chǎn)［1-2］。葉立平和李紅等分別建立了超前支承壓力模型，并進行了相應(yīng)的理論分析；蔣金泉和劉金海等基于彈性力學(xué)的極限平衡理論和巖石力學(xué)的摩爾庫倫理論對超前支承壓力進行了分析。然而，以往對于超前支承壓力的研究受限于上覆巖層的高度，而且對于工作面高位厚硬巖層破斷前后超前支承壓力的峰值和影響范圍鮮有研究［3-5］。1超前支承應(yīng)力分析與計算基于采礦理論研究的日臻成熟和現(xiàn)場監(jiān)測手段的日益豐富，使得科研工作者對于工作面煤壁超前支承應(yīng)力的分布有了統(tǒng)一的認(rèn)知［6］。基于極限平衡理論和煤體的極限承載能力［7-9］，工作面煤壁超前支承應(yīng)力的計算模型如圖1。圖1工作面煤壁超前支承壓力計算模型圖1中，p為上覆巖層的平均密度；H為煤層的埋深；h為工作面開采高度；k為最大應(yīng)力集中系數(shù)；xp為I區(qū)寬度；xe為II區(qū)寬度。1.1塑性區(qū)分析與計算工作面煤壁前方超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，取塑性區(qū)內(nèi)一單元體A,塑性區(qū)及彈性區(qū)內(nèi)單元體應(yīng)力狀態(tài)如圖2。圖2塑性區(qū)及彈性區(qū)內(nèi)單元體應(yīng)力狀態(tài)由圖2(a)可知，該單元體寬為dx，高為h。該單元體在極限平衡狀態(tài)下受到垂直應(yīng)力oy、水平應(yīng)力ox和煤巖體交界面處的滑動摩擦阻力F的作用而處于平衡狀態(tài)，平衡方程為：式中：f為煤巖交界面滑動摩擦系數(shù)。根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可知，塑性區(qū)內(nèi)煤體單元A，其主應(yīng)力滿足下式：式中：。1為最大主應(yīng)力；。3為最小主應(yīng)力；kp=；^為煤體的內(nèi)摩擦角；oc為煤體的單軸抗壓強度。當(dāng)不存在褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造時，可以近似的認(rèn)為oy=o1.ox=o3,則根據(jù)式（3）可求得：將式（3）代入式（1），并根據(jù)塑性區(qū)邊界條件oy|x=xp=kpgH,則可計算出塑性區(qū)的支承應(yīng)力表達式為：式中。根據(jù)塑性區(qū)另一邊界條件，則可由式（4）計算出塑性區(qū)的寬度xp為：式中：o*c為煤體單軸壓縮的殘余強度。1.2彈性區(qū)分析與計算工作面煤壁前方超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，取彈性區(qū)內(nèi)一單元體B,如圖2（b）。同理可求得該單元體的平衡方程為：在彈性區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力oy和水平應(yīng)力。x滿足式（8）：式中：入為側(cè)壓系數(shù)。將式（8）代入式（7）,并根據(jù)彈性區(qū)邊界條件oy|x=xp=kpgH,可求得彈性區(qū)內(nèi)支承應(yīng)力表達式為：式中。根據(jù)彈性區(qū)內(nèi)另一邊界條件oy|x=xp+xe=pgH,可由式（9）計算出彈性區(qū)的寬度xe為：聯(lián)系式（6）和式（10）即可求出工作面煤壁超前支承應(yīng)力影響范圍xi為：2關(guān)鍵層破斷前后超前支承應(yīng)力計算與分析2.1關(guān)鍵層破斷前超前支承應(yīng)力分析通過前述分析與計算，可以推導(dǎo)出工作面煤壁超前支承應(yīng)力影響范圍的計算表達式。但是在實際煤層開采過程中，不僅要考慮煤體自身的極限承載能力，還要結(jié)合實際地質(zhì)條件考慮煤層覆巖中關(guān)鍵層破斷前后對煤體施加的應(yīng)力載荷效應(yīng)。在工作面回采初期，隨著工作面的回采采空區(qū)范圍不斷的擴大，當(dāng)覆巖中關(guān)鍵層達到極限破斷步距之前，未破斷時其對煤體施加的載荷效應(yīng)力學(xué)模型如圖3。圖3關(guān)鍵層破斷前超前支承應(yīng)力計算模型由圖3可知，以采空區(qū)中間為對稱軸對煤層上覆巖層的載荷效應(yīng)進行對稱性分析，以對稱軸為基線建立xoy坐標(biāo)系。上覆巖層對煤體的載荷效應(yīng)可以分為2部分，其中I區(qū)域內(nèi)的覆巖層的載荷效應(yīng)主要由關(guān)鍵層主導(dǎo)，II區(qū)域內(nèi)的覆巖層的載荷效應(yīng)由關(guān)鍵層下方的軟弱巖層主導(dǎo)。由于II區(qū)域內(nèi)的覆巖層破斷后受采空區(qū)冒落砰石的支撐作用而幾乎不發(fā)生回轉(zhuǎn)?；谏鲜隽W(xué)簡化分析，采用結(jié)構(gòu)載荷法可計算出關(guān)鍵層破斷前工作面煤壁超前支承應(yīng)力滿足下式：式中：l1為亞關(guān)鍵層周期破斷步距」為厚硬關(guān)鍵層的極限破斷步距；工作面埋深H=h+Zh1+Zh2+h2+Zh3+h3;a為巖層破斷角。由于工作面煤壁超前支承應(yīng)力由煤體自身的極限承載能力和覆巖層的載荷效應(yīng)疊加作用所決定，滿足式（13）:式中：k1為覆巖關(guān)鍵層破斷前超前支承應(yīng)力集中系數(shù)。將式（6）、式（10）和代（12）入式（13）中，可計算求出覆巖關(guān)鍵層破斷前的應(yīng)力集中系數(shù)k1為：式中：Wm（x）為LambertW復(fù)變函數(shù)中的W-1（x）段，在其變量定義域內(nèi)單調(diào)遞減。2.2關(guān)鍵層破斷后超前支承應(yīng)力分析隨著工作面采空區(qū)范圍不斷的擴大，當(dāng)覆巖中關(guān)鍵層達到其極限破斷步距而發(fā)生破斷時，其對煤體施加的載荷效應(yīng)力學(xué)模型如圖4。圖4關(guān)鍵層破斷后超前支承應(yīng)力計算模型由圖4可知，同樣以采空區(qū)中間為對稱軸對煤層上覆巖層的載荷效應(yīng)進行對稱性分析，以對稱軸為基線建立xoy坐標(biāo)系。上覆巖層對煤體的載荷效應(yīng)可以分為2部分，其中I區(qū)域內(nèi)的覆巖層直接對煤體施加載荷，II區(qū)域內(nèi)的覆巖層由亞關(guān)鍵層周期性來壓破斷的巖體、主關(guān)鍵層初次來壓破斷的巖體和它們所承載的軟弱巖層所。同樣采用結(jié)構(gòu)載荷法可計算出關(guān)鍵層破斷后工作面煤壁超前支承應(yīng)力滿足式（15）：由于工作面煤壁超前支承應(yīng)力由煤體自身的極限承載能力和覆巖層的載荷效應(yīng)疊加作用所決定，滿足式（16）：k2為覆巖關(guān)鍵層破斷后超前支承應(yīng)力集中系數(shù)。將式（6）、式（10）和式（15）代入式（16）中，可計算求出覆巖關(guān)鍵層破斷后的應(yīng)力集中系數(shù)k2為：3關(guān)鍵層破斷前后超前支承應(yīng)力對比分析通過式（14）和式（17）可計算出關(guān)鍵層破斷前后工作面煤壁超前支承應(yīng)力峰值同理可計算出關(guān)鍵層破斷前后工作面煤壁超前支承應(yīng)力范圍差M為：由于Wm（x）在其定義域內(nèi)單調(diào)遞減，而指數(shù)函數(shù)e-x在其定義域內(nèi)同樣單調(diào)遞減，其組成的復(fù)合函數(shù)為遞增函數(shù)。對比式（18）和式（19）可知己和c2的大小決定了關(guān)鍵層破斷前后的支承應(yīng)力峰值差^p和支承應(yīng)力范圍差以的大小。由cl和c2的表達式可知在煤層埋深較大時存在c1>c2，即存在如下關(guān)系式：將式（20）代入式（18）和式（19）可知半>0且以>0。理論分析結(jié)果表明覆巖層中關(guān)鍵層破斷后，其工作面煤壁超前支承應(yīng)力的峰值大小和影響范圍較關(guān)鍵層破斷前小。在理論分析的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場工程案例對理論分析結(jié)果進行驗證?；幢睏盍V的—些具體工程力學(xué)參數(shù)見表1。表110414工作面工程力學(xué)參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值煤體內(nèi)摩擦角/（°）20水平應(yīng)力集中系數(shù)1.15密度/（t-m-3）2.5煤體殘余強度/MPa2.5煤巖體交界面處摩擦角/（°）8.5工作面采M/m3.0巖層破斷角/（°）70亞關(guān)鍵層周期破斷步距/m30厚硬主關(guān)鍵層極限破斷步距/m527煤層埋深/m611.56直接頂厚度Zh1/m3.64亞關(guān)鍵層及其上方軟弱巖層厚度h1+￡h2/m100.46厚硬主關(guān)鍵層厚度h2/m43.5主關(guān)鍵層上覆巖層總厚度Zh3/m460.95將表1中10414工作面工程力學(xué)參數(shù)代入式（14）和式（17）中，可計算求出覆巖中關(guān)鍵層破斷前后的應(yīng)力集中系數(shù)k1=2.876和k2=1.781。結(jié)果表明k1>k2且k1/k2>1,代入式（18）和式（19）可知^p和△乂均大于0，這與理論分析計算結(jié)果相一致。4結(jié)論基于極限平衡理論和煤體的極限承載能力，推導(dǎo)出了工作面煤壁超前支承應(yīng)力影響范圍的表達式。并結(jié)合實際地質(zhì)條件，考慮到覆巖層對煤體施加的應(yīng)力載荷效應(yīng)，推導(dǎo)出了覆巖層中關(guān)鍵層破斷前后對工作面煤壁超前支承應(yīng)力的表達式。理論分析計算結(jié)果和基于現(xiàn)場工作面工程力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果相一致，驗證了煤層上覆巖層中關(guān)鍵層破斷后，其工作面煤壁超前支承應(yīng)力的峰值大小和影響范圍較關(guān)鍵層破斷前小。【相關(guān)文獻】[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.[2]齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.[3]何富連，楊增強，魏臻.采動影響下碎裂煤巷注漿加固優(yōu)化研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2017,22(1):50-54.[4]劉云鵬.基于微震監(jiān)測的"滯后型”動力災(zāi)害控制技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2017,44(1):74-77.[5]劉暢，楊增強，弓培林，等.工作面過空巷基本頂超前破斷壓架機理及控制技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2017,42(8):1932-1940.[6]竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：