石建軍，嚴德忠

(1.河北省自然災(zāi)害重點實驗室，北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;3調(diào)度室，山西冀中能源集團榮泰煤礦，山西呂梁 033000)

采場上覆巖層運動破壞的形式對礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律有決定性的作用，也是采取巖層控制對策的重要依據(jù)，覆巖的巖性、結(jié)構(gòu)和厚度及采動的充分程度，都影響到巖層的破裂高度和程度，而覆巖破斷的范圍及形成的結(jié)構(gòu)又決定了其對采場能夠施加的壓力。

覆巖運動和破壞是在采礦活動的影響下，采場上覆巖層下沉、離層、斷裂和垮落的活動現(xiàn)象。對于采場覆巖運動的研究是一個傳統(tǒng)的課題，研究這一課題的主要目的是為了減輕覆巖運動對采場和地面的破壞及影響，經(jīng)過長期的研究和探索，國內(nèi)外學(xué)者在覆巖運動規(guī)律的研究領(lǐng)域取得了大量的理論成果。尤其隨著我國西部淺埋煤層的開采，越來越多的學(xué)者以經(jīng)典的礦壓理論為基礎(chǔ)，對淺埋煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究，研究得出了淺埋煤層典型的覆巖結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律。

1 地質(zhì)條件

榮泰煤礦10104工作面開采10#煤層位于太原組下部，埋深220－240 m，L1石灰?guī)r標志層下方，含0～2層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，厚度穩(wěn)定。切眼以北無采區(qū)。煤的硬度系數(shù)為1.03～1.28，產(chǎn)狀平緩，煤層傾角1～8°左右，工作面內(nèi)無斷層.直接頂為L1灰?guī)r，厚度9.09m，致密均一，直接底為泥巖，厚度為3.5 m。

本井田的煤層上覆巖層基巖比較薄，松散載荷層厚度比較大，屬于典型的淺埋煤層，工作面頂板一般為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)類型，關(guān)鍵層承擔(dān)表土層的全部荷載。上覆巖層基本上分為冒落帶和裂隙帶，無彎曲下沉帶。具有典型淺埋煤層的覆巖結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律。［1－3］

2 合理頂板壓力分析

10104工作面頂板為單一關(guān)鍵層灰?guī)r頂板，屬于堅硬頂板采場，頂板壓力主要來自直接頂。從直接頂?shù)耐獠啃螒B(tài)看，其剖面為一菱形，特征參數(shù)為斷面角β，厚度M及長度L，如圖1所示。

圖1 頂板壓力分析示意圖

計算合理直接頂壓力基于以下原則:

當斷線在煤壁處時，支架承受的壓力最大，因此以此狀態(tài)為計算依據(jù);

當巖塊重心落在2/3控頂距內(nèi)時，合理的頂板壓力等于巖塊的重量;

當巖塊重心落在2/3控頂距外時，認為支架應(yīng)采取讓壓的方針，讓頂板回轉(zhuǎn)一定的角度，使其采空區(qū)端與已冒矸石接觸(在層厚大采高時可實現(xiàn))，使支架承受巖塊的部分作用力。

設(shè)沿頂板傾向每米長度支架需要的阻力為E，合力點作用在2/3控頂處，巖塊重力為G(G=LMγ)，巖塊重心距離煤壁的距離為R，則:

Ls為懸頂距，Lk為頂板合力位置。

式中 S——采空區(qū)中矸石對頂板的支撐反力。

解之得:

E折算成支護強度時，

3 堅硬頂板的沖擊載荷

堅硬頂板斷裂后的迅速下沉，在短時間內(nèi)給支架以巨大的沖擊載荷，往往造成支架的折損，甚至發(fā)生惡性的頂板事故。因此，在有些采場，考慮沖擊載荷是必須的。沖擊載荷的計算結(jié)果，可以應(yīng)用于堅硬頂板采場的綜采支架選型、單體支架工作面的支護設(shè)計以及預(yù)計采場的來壓強度;對于采用“讓壓”方案的綜采支架，可以通過頂板運動的分析，確定大流量卸載閥的安全流量。［4－7］

堅硬直接頂有單層、多層迭合及帶有軟載層等多種形式，為分析方便起見，均以單層堅硬直接頂為分析對象，其它形式下可以通過迭加、折合等方法應(yīng)用單層分析的結(jié)果。

一般說來，能產(chǎn)生沖擊載荷的直接頂存在以下幾種運動形式，下面僅分析兩種情況下的沖擊載荷大小。

直接頂懸頂部分在切頂線切下，產(chǎn)生“負沖擊載荷”;

直接頂在煤壁附近斷裂，沉降過程中被支架反力頂住時在支架上產(chǎn)生沖擊載荷;

3.1 直接頂在切頂線切下時的沖擊載荷

這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在爆破強放懸頂和用密集支柱切頂?shù)牟蓤觥?/p>

圖2 懸頂斷裂時的狀態(tài)和力學(xué)模型圖

圖2中，懸頂簡化成一個一端簡支、另一端自由的桿，控頂區(qū)內(nèi)的支架簡化成絞支座，懸頂在自重作用下繞支座旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)開始后，支座上將承受動載荷(支座此時即為支架)。

在懸頂斷裂瞬時，設(shè)以角加速度ε向下回轉(zhuǎn)，此時懸頂受支座反力R，重力Q及慣性力F的作用，三個力在運動方向必須平衡，因此，只要求出慣性力F后，支架上受的力就可方便的求出。

根據(jù)質(zhì)點系的動量矩定理，剛體對定軸的轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的乘積，應(yīng)該等于作用于剛體上的主動力對該軸的力矩的代數(shù)和，即式(7)必須成立。

式中 IO——桿繞O點的轉(zhuǎn)動慣量。

C——懸頂長度;

ε——角加速度;

g——重力加速度。

其它符號含義同前。

沖擊載荷R由式(10)求出。

式中 R——沖擊載荷;

F——慣性力。

由式(10)得:

而:

將F代入式(10)得:

即懸頂斷裂瞬間，支架僅承受其1/4的重力，而沒斷時，支架必須承受其全部重力，外加附加力矩。

設(shè)沖擊后與沖擊前支架載荷之差為沖擊量△Q:

負號表示沖擊量△Q的方向相背于支架受力方向，即為負沖擊載荷，此時動載系數(shù)將小于1.

由以上計算可知，懸頂斷裂瞬間，支架首先承受3Q/4的負沖擊量。在綜采面，表現(xiàn)為支架載荷突然下降和立柱的回升;在單體面，則有可能發(fā)生倒柱，或柱頭與頂梁錯位，這種情況在堅硬頂板采場時有發(fā)生。

3.2 直接頂在煤壁附近斷裂時的沖擊載荷

直接頂在煤壁處斷裂后，在重力作用下迅速下降，而頂板控制要求采場不產(chǎn)生很大的下沉量，因此支架將付出很大的反力使之停止運動，這個過程在極短的時間內(nèi)完成，其結(jié)果是在支架上產(chǎn)生沖擊載荷。

此狀態(tài)下的巖層狀態(tài)及計算簡圖如圖2所示。

直接頂?shù)倪\動分成兩個階段;斷裂后的加速和支架反力作用下的減速。

由于支架不允許直接頂下沉很大的角度，它必須在頂板沒有發(fā)生很大下沉前使之停止運動，因此，假設(shè)頂板在α的下沉角中(如圖2的虛桿位置)，前一部分α1以ε加速，后一部分α2在支架反力作用下以－ε減速(因α很小，近似認為減速過程與加速過程中ε在量值上相等，方向相反)。

斷裂時的角加速度可由動量矩定理求得。

式中 N——支架合力作用點到煤壁的距離;

R0——頂板運動過程中支架的平均合力(有時可用初撐力代替，該力可實測到，也可根據(jù)支架性能參數(shù)估計)。

支架停止運動時，角速度ω=0，此時支架受的作用力最大，且慣性力F的方向與Q的方向相同，F(xiàn)=MCε/2。

根據(jù)O點的力矩平衡方程，最大沖擊載荷R為:

式中 α——頂板停止運動時的下沉角。

將F代入式(16)得(因α較小，故令cosα=1);

沖擊量△Q為:

要使支架不承受沖擊載荷，只要令△Q=0，可得:

4 堅硬頂板支護控制分析

10104綜采工作面堅硬直接頂厚度9 m，最大懸頂長5m，密度25kN/m3，控頂距4m，支架合力作用點距煤壁3米，頂板在支架處于初撐狀態(tài)時在煤壁處斷裂，實測初撐力沿傾斜1700 kN/m，確定支架沿傾向每米承受的最大沖擊載荷及動載系數(shù)。

由式(19)得最大沖擊載荷R為:

得最大沖擊量△Q為:

設(shè)動載系數(shù)為沖擊前后支架載荷之比β，則本采場的動載系數(shù)為:

由此可見:

1)沿傾斜方向該采場支架對付直接頂?shù)墓ぷ髯枇Σ粦?yīng)小于4040.7 kN/m，否則支架將被直接頂摧垮。

2)只要知道了頂板的幾何參數(shù)和斷裂前支架的工作阻力(在現(xiàn)場可方便地測到)，支架的動載系數(shù)是可以預(yù)先計算的，亦即采場來壓的強度是可以預(yù)報的，這就為現(xiàn)場有效的控制動壓提供了理論依據(jù)。

3)增加支架的初撐力可以減小沖擊載荷，降低動載系數(shù)。

5 現(xiàn)場觀測結(jié)果

對10104工作面兩順槽頂板離層觀測數(shù)據(jù)分析可得，頂板穩(wěn)定，離層不明顯，結(jié)合工作面周期來壓觀測分析結(jié)果可知，在工作面周期來壓時，兩順槽頂板也不會出現(xiàn)明顯離層，頂板完整，無破損。

6 結(jié)論

綜合運用材料力學(xué)、巖體力學(xué)及礦山壓力理論分析10104工作面煤層埋藏特征和工作面上覆巖層運動規(guī)律，初步確定了采動影響下堅硬直接頂對采場礦壓影響及運動特征。

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