潘富國

（山西大同大學煤炭工程學院，山西大同037003）

急傾斜煤層比傾斜、緩傾斜煤層開采時,覆巖內(nèi)的導水裂隙更容易向上部巖層擴展發(fā)育,同時當留設的防水煤柱在水壓和礦壓共同的作用下發(fā)生抽冒時,均增加了覆巖覆水條件下急傾斜煤層開采發(fā)生突水事故的可能[1－3]。充填開采是我國煤炭資源綠色開采的重要發(fā)展方向之一,也是確保水體下急傾斜煤層安全回采行之有效的措施[4-5]。同時,急傾斜煤層充填開采可以有效降低覆巖斷裂帶高度、防水煤柱塑性區(qū)范圍及減小覆巖應力集中程度,能有效確保覆巖覆水條件下急傾斜煤層的安全回采[9]。

1 急傾斜煤層充填開采頂板控制力學模型

根據(jù)急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的受力狀態(tài),急傾斜煤層開采采場下部位置受到實體煤的約束和矸石的支撐作用,頂板巖梁可視為固支支座約束,上部位置可視為簡支支座約束[10]。以急傾斜煤層工作面切眼位置為坐標原點，巖層的傾斜方向和法線方向分別為x 和y 軸方向，建立急傾斜煤層充填開采時頂板控制力學模型，見圖1。

考慮急傾斜煤層采深的影響， 頂板巖梁沿法線方向荷載q1的分布方程為:

式中，H0為急傾斜煤層采場頂板巖梁上部邊界采深;H1為急傾斜煤層采場頂板巖梁下部邊界采深;ΔΗ 為急傾斜煤層采場階段垂高;γ 為上覆巖層容重。

急傾斜煤層充填開采頂板巖梁沿煤巖層切線方向荷載q2的分布方程為:

急傾斜煤層充填開采上覆巖層作用于頂板巖梁上部邊界的切向荷載P 為:

2 急傾斜煤層充填開采頂板應力分布特征

2.1理論分析

在小變形條件下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應力分布大小符合疊加原理,將急傾斜煤層充填開采時頂板巖梁受力分解為不同荷載作用時的懸臂梁結(jié)構(gòu)來分析。

1）懸臂梁自由端受集中荷載作用

采場頂板巖梁上端在防水煤柱的支撐作用下，急傾斜煤層開采頂板巖梁可視為懸臂梁自由端受集中荷載的作用，見圖2。

根據(jù)彈性力學的知識[11-12],可以求出急傾斜煤層開采懸臂梁在自由端受集中力的作用時,頂板巖梁內(nèi)的應力分布形式為:

式中,h 為急傾斜煤層頂板巖梁厚度。

2）懸臂梁受均布荷載作用

將急傾斜煤層沿頂板巖梁垂直層面的法向應力q1分解為均布荷載q3和線性荷載q4。同時將q3與q0共同作用于頂板進行分析，見圖3。

在均布荷載作用下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁應力分布的形式為:

3） 懸臂梁受線性分布荷載作用

急傾斜煤層開采頂板巖梁在僅受線性荷載q4作用下的受力狀態(tài)，見圖4。

在線性荷載作用下,急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應力分布形式為:

4)懸臂梁受切向荷載的作用

急傾斜煤層在頂板巖梁沿煤層切線方向荷載和覆巖作用于采場上部邊界的切向荷載的共同作用下的受力狀態(tài),見圖5。

在切向荷載的作用下，急傾斜煤層開采頂板巖梁的應力大小分別為：

急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應力大小為不同荷載作用下的應力大小之和,因此可以求出急傾斜煤層充填開采頂板巖梁的應力大小，見(8)式。

從上式中可知,急傾斜煤層充填開采隨著充填體對采場頂板支撐荷載q0的增大,頂板巖梁內(nèi)的法向應力σx、切向應力σy和剪切應力σxy均呈降低趨勢。

2.2數(shù)值分析

采用離散元UDEC 數(shù)值分析，得出急傾斜煤層采空區(qū)充填和不充填不同頂板控制條件時，頂板巖梁內(nèi)的法向應力、剪切應力和切向應力分布特征,見圖6,圖7。

從圖中可知，當急傾斜煤層采空區(qū)充填和不充填控頂方式不同時，頂板巖梁內(nèi)法向應力數(shù)值分別為12.86 MPa 和10.61 MPa；切向應力數(shù)值分別為5.93 MPa 和3.65 MPa；剪切應力數(shù)值分別為3.25 MPa 和1.02 MPa。因此，充填開采可以有效降低急傾斜煤層頂板巖梁內(nèi)應力大小。

3 充填開采對頂板巖梁破斷形式的影響

急傾斜煤層開采頂板巖梁的應力分布狀態(tài)與其厚度、采深、采空區(qū)處理方法等密切相關(guān)。因此，急傾斜煤層開采頂板巖梁的變形、破斷方式也較為復雜， 主要可分為以下三種情況[13-14]：

1) 在覆巖垂直層面法向應力的作用下， 急傾斜煤層頂板巖梁彎曲變形發(fā)生受拉破壞;

2) 急傾斜煤層頂板巖梁上端位置在防水煤柱支撐力的作用下， 受剪切應力易產(chǎn)生剪切破斷;

3) 在覆巖沿層面切向應力的作用下， 當急傾斜煤層直接頂較軟弱時， 易產(chǎn)生切向整體滑移。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)力學理論分析和離散元數(shù)值計算結(jié)果,急傾斜煤層采空區(qū)充填開采可以有效降低頂板巖梁內(nèi)的法向應力、切向應力和剪切應力分布大小,則急傾斜煤層充填開采可以進一步有效防止頂板巖梁產(chǎn)生受拉破壞、切向滑移以及剪切破斷。急傾斜煤層開采頂板巖梁破斷往往是上述荷載的綜合作用。因此，急傾斜煤層采空區(qū)充填可以有效防止頂板巖梁的破斷，確保采場頂板圍巖穩(wěn)定和阻止覆巖導水裂隙的向上擴展，進而有利于在覆巖充水條件下急傾斜煤層的安全開采。

4 水體下急傾斜煤層充填開采現(xiàn)場應用

黑龍江龍煤集團七臺河分公司龍湖煤礦南二采區(qū)有8 層可采急傾斜薄煤層,煤厚平均0.7m。由于在急傾斜煤層上方存在部分未封閉井口的老窯空區(qū)，且在其井巷內(nèi)充滿積水，同時，與季節(jié)性河流貫通形成水力聯(lián)系，導致龍湖煤礦急斜煤層開采時存在較為嚴重的隱患[15]。48#煤設計了分帶仰斜矸石充填采煤方法,同時,采用水泥-水玻璃漿液對矸石充填體進行注漿膠結(jié)頂板控制,其急傾斜煤層矸石充填注漿膠結(jié)效果,見圖8。

從圖中可知,急傾斜煤層采空區(qū)矸石充填注漿膠結(jié)狀態(tài)密實,矸石膠結(jié)帶與頂板之間沒有間隙。因此,充填開采可以有效防止頂板巖梁的破斷,抑制采場上覆巖層導水裂隙的擴展發(fā)育,進而確保水體下急傾斜煤層的安全回采。

5 結(jié)論

急傾斜煤層充填開采改變了頂板巖梁的應力分布特征,進而影響了頂板巖梁的變形破斷方式。同時,充填開采限制了急傾斜煤層頂板向采空區(qū)自由空間的運動趨勢,阻止了覆巖導水裂隙的向上擴展發(fā)育,有利于水體下急傾斜煤層的安全開采。同時,采用矸石充填技術(shù),可以節(jié)省提升、運輸費用,降低矸石山堆放及占地面積,保護生態(tài)環(huán)境,為龍湖煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了重要保障。

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