王金安,張基偉,高小明,文建東,古亞丹

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司,甘肅白銀 730900)

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大傾角厚煤層長壁綜放開采基本頂破斷模式及演化過程(Ⅱ)——周期破斷

王金安1,張基偉1,高小明2,文建東2,古亞丹2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司,甘肅白銀 730900)

摘 要:基于彈性力學(xué)理論,建立了大傾角綜放工作面推進(jìn)過程中基本頂由小三角形懸板→大三角形懸板→斜梯形板轉(zhuǎn)化的薄板力學(xué)模型,計(jì)算出3種形狀基本頂?shù)纳?、下板面的?yīng)力分布,揭示了斷裂線發(fā)育軌跡與破壞區(qū)演化過程,闡明了大傾角煤層基本頂周期破斷的“四邊形”型斷裂模式。研究表明,大傾角煤層基本頂周期斷裂的空間順序?yàn)椤爸邢虏俊猩喜俊喜俊虏俊?。結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段,驗(yàn)證了基本頂周期斷裂過程中采場圍巖應(yīng)力場分布及礦壓顯現(xiàn)具有時(shí)序性和非對稱特征。

關(guān)鍵詞:大傾角煤層;綜放開采;基本頂;周期斷裂;懸頂結(jié)構(gòu)

責(zé)任編輯:常 琛

王金安,張基偉,高小明,等.大傾角厚煤層長壁綜放開采基本頂破斷模式及演化過程(Ⅱ)——周期破斷[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40 (8):1737-1745.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2015.0408

大傾角長壁綜放工作面經(jīng)過基本頂初次垮落后,隨著工作面不斷推進(jìn),進(jìn)入“懸露—斷裂—轉(zhuǎn)動(dòng)—下沉觸矸”的周期性破斷過程。周而復(fù)始的周期破斷將伴隨整個(gè)工作面回采過程,造成工作面不同位置礦壓顯現(xiàn)頻繁發(fā)生變化。

對大傾角特厚煤層基本頂初次斷裂的“V-Y”破斷模式及演化過程的研究詮釋了大傾角煤層長壁綜放開采基本頂在初次破斷期間工作面礦壓顯現(xiàn)的“時(shí)-空-強(qiáng)”非對稱特征[1]。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),基本頂周期破斷及工作面礦壓顯現(xiàn)也具有明顯的“時(shí)-空-強(qiáng)”非對稱特征。通過對大傾角長壁綜放開采的基本頂周期破斷模式與過程進(jìn)行深入分析,揭示大傾角長壁工作面礦壓顯現(xiàn)發(fā)展變化的本質(zhì)與規(guī)律。

張益東等[2]利用數(shù)值模擬手段給出了大傾角俯采及仰采頂板周期破斷的應(yīng)力場分布規(guī)律。伍永平等[3-4]利用R-W & Kane原理和Lagrange理論建立了大傾角煤層開采“R-S-F”系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)一般方程,對“R-S-F”系統(tǒng)在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行描述和分析,確定了“R-S-F”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制模式,在理論上深化了對大傾角煤層基本頂周期斷裂機(jī)理的認(rèn)識。

本文在大傾角特厚煤層基本頂初次斷裂模式及演化過程研究的基礎(chǔ)上,以王家山煤礦47407初采工作面開采地質(zhì)條件為工程背景,建立大傾角煤層開采后基本頂周期破斷力學(xué)模型,推導(dǎo)基本頂周期破斷的失穩(wěn)力學(xué)判據(jù)。通過對基本頂周期斷裂過程應(yīng)力分布特征、斷裂線發(fā)育形態(tài)、破壞區(qū)分布、應(yīng)力場變化等,揭示大傾角煤層基本頂周期斷裂模式與演化規(guī)律,旨在為大傾角煤層工作面礦壓防治工作提供理論依據(jù)。

1 大傾角煤層開采周期斷裂力學(xué)分析

1.1 基本頂周期斷裂力學(xué)模型

基本頂完全初次破斷后,上部、中部基本頂完全垮落,上部的斷裂線沿斜線方向發(fā)育至工作面前方。下部懸頂由于矸石支撐,形成小三角形的懸頂結(jié)構(gòu)(圖1(a)),懸頂結(jié)構(gòu)下部受到矸石支撐的約束,很難自然垮落[1]。

圖1　大傾角長壁工作面基本頂周期斷裂發(fā)展過程Fig.1 Development of periodic fracture of main roof above steeply inclined seam

隨著工作面不斷推進(jìn),基本頂斷裂線繼續(xù)沿著斜線方向不斷發(fā)育,最終可能會形成大三角板結(jié)構(gòu)(圖1(b))。在此階段中僅基本頂下部被矸石填充,頂板受力具有明顯的非對稱特征。

若大三角形懸板尚未破斷,則隨著工作面不斷推進(jìn),會形成梯形板結(jié)構(gòu)(圖1(c))。

采用薄板理論[5]構(gòu)建大傾角煤層基本頂周期斷裂力學(xué)模型。計(jì)算基本頂周期斷裂過程中“小三角形懸板→大三角形懸板→梯形板”3種懸板的應(yīng)力函數(shù)?？紤]上覆巖層與采空區(qū)矸石的共同作用與斜邊臨近采空區(qū)的邊界條件。將周期破斷前基本頂簡化為“斜邊簡支,直角邊固支”的傾斜彈性薄板(基本頂厚度h2滿足薄板理論)。獲得大傾角煤層基本頂斷裂前的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2中煤層傾角為β,上覆巖層組的厚度為∑h1,其平均彈性模量為E1、容重為γ1、泊松比為μ1;堅(jiān)硬基本頂?shù)暮穸葹閔2,其平均彈性模量為E2、容重為γ2、泊松比為μ2。坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型中面的兩直角邊相交位置,x方向指向采空區(qū)方向,小三角板的范圍為(0, a1),大三角板長度為的范圍為(0, a2),梯形板長度為的范圍為(0, a3),y方向指向工作面上部。小三角板的范圍為(0, b1),大三角板、梯形板長度為的范圍為(0, b)。z方向垂直堅(jiān)硬頂板向上。上覆巖層(軟弱巖層)對頂板的荷載可以簡化為沿著煤層傾斜方向向下(沿y軸負(fù)方向)線性增加的荷載P(y),即

式中,P0為工作面下端頭處上覆巖層荷載,MPa。

圖2　周期斷裂過程中3類基本頂力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of three kinds of main roof stratums during periodic fracture

在傾向剖面上,基本頂充填區(qū)為小三角形板所在范圍,虛線區(qū)為大三角形及梯形范圍(圖3)。其中,頂板下部填充矸石對頂板荷載可簡化為q1,q2。由于小三角板面積相對較小,整個(gè)板下部均受到較密實(shí)的矸石充填,將矸石支撐力q1簡化為沿傾斜方向呈均勻分布。大三角板與梯形板均受到長度為Ls的局部的矸石充填,沿傾斜方向越往上冒落矸石堆積越松散,所以將q2簡化為沿傾斜方向的三角形支撐。矸石支撐力按照密實(shí)程度不同取上覆巖層自重的0.2~0.4倍。

圖3　大傾角煤層基本頂力學(xué)模型傾向剖面Fig.3 Mechanical model of main roof stratum abovesteeply inclined seam on dip profile

由于周期破斷步距較小,縱向荷載對頂板彎曲破壞的作用有限,所以僅考慮橫向荷載的作用,將堅(jiān)硬頂板受到的上覆巖層荷載P(y)、重力G、水平構(gòu)造力F1分解為垂直于頂板的橫向體力P1= P(y)cos β、G1=Gcos β、F11=F1cos β。

1.2 基本頂應(yīng)力狀態(tài)方程

大傾角煤層回采后基本頂周期破斷的形態(tài)為三角板與梯形板,均屬于異形板范疇。利用康托洛維奇法[6-8]對傾斜異形彈性薄板的彎曲問題進(jìn)行求解。由于三角形是梯形的退化形狀[9],將三角形薄板近似為短邊為0.1 m的梯形板進(jìn)行求解,即可簡化計(jì)算又滿足工程精度。將上述的3種形狀的傾斜異形彈性薄板均簡化為“斜邊簡支,三直角邊固支”的傾斜梯形薄板。

基于虛位移原理[10],利用康托洛維奇法對受到非對稱荷載作用下的“斜邊簡支,三直角邊固支”傾斜梯形薄板撓度方程進(jìn)行求解。

梯形板的斜邊上任意一點(diǎn)x坐標(biāo)為ky+a,其中k為斜線的斜率。將梯形板撓度方程設(shè)為一級近似位移函數(shù):

其中,u(x,y)為x方向位移函數(shù);v(y)為y方向位移函數(shù)。由于梯形板沿x方向的邊界條件為“左邊固支,右邊簡支”,故可設(shè):

梯形板的虛撓度δw符合δw = u(x,y)δv(y)。在薄板全部邊界沒有自由邊條件下,根據(jù)虛功原理得

結(jié)合式(2),利用虛位移原理可推出:

為了確定沿y方向的函數(shù)v(y),將式(2),(3)代入式(5),積分并整理后得到

其中,v(4)表示函數(shù)v(y)的四階導(dǎo)數(shù)(其他類同)。對式(6)無量綱化處理,令v=[(ky+a) / (kb+a)]n,可以得到傾斜梯形板的齊次特征方程

由于特征根性質(zhì)與k值無關(guān),也就是與微分方程解的形式無關(guān),為簡便計(jì)算,先假設(shè)k=1。則齊次特征方程簡化為

求得特征根為:n1=-12.207 23;n2=-4.887 52; n3,4=2.047 37±1.464 19i。

令n1= - 12.207 23, n2= - 4.887 52,α1= 2.047 37,β1= 1.464 19,則“斜邊簡支,三直角邊固支”傾斜梯形薄板撓度方程為

式中,c1~c4為系數(shù),需要沿y方向的邊界條件進(jìn)行求解;q為薄板受到的橫向荷載之和;D為板的彎曲剛度。

將式(9)代入彈性矩形薄板應(yīng)力與撓度函數(shù)關(guān)系式[5],可得大傾角基本頂應(yīng)力σx,σy,τxy表達(dá)式:

式中,

其中,小三角形板的橫向荷載q:

大三角形與梯形板的橫向荷載q:

且有:q2=[0.4P0(Ls-y)]/ Ls

將式(10)代入主應(yīng)力求解計(jì)算公式,得到傾斜梯形薄板任意一點(diǎn)的主應(yīng)力表達(dá)式,即

根據(jù)最大拉應(yīng)力理論,采用應(yīng)力比例函數(shù)f(x, y)= max{σ1,σ3} / [σT]判斷基本頂發(fā)生拉伸破壞的坐標(biāo)點(diǎn)(xi,yi):當(dāng)f(xi,yi)= 1時(shí),基本頂在點(diǎn)(xi, yi)處于臨界破壞狀態(tài);當(dāng)f(xi,yi)>1時(shí),(xi,yi)發(fā)生拉伸破壞[1]。

2 大傾角煤層基本頂應(yīng)力分析

根據(jù)王家山煤礦47407工作面地質(zhì)條件,在式(10)中取:β= 45°,k = -0.363 97,a1= 11 m,a2= 36.497 m,a3=55 m,b1=30 m,b=100 m,μ2=0.318, D=7.935 8×106MPa·m3,∑h1= 435 m,h2= 20 m, γ1=25 kN/ m3,γ2=23 kN/ m3,g =10 N/ kg,E1=1.5× 104MPa, E2= 1.07×104MPa, F1= 1.6γ2h2, q1= 0.2P0, Ls=50 m,[σT]=2.261 MPa。計(jì)算出工作面推進(jìn)過程中基本頂各個(gè)形狀懸板上下板面應(yīng)力比例函數(shù)f(x,y)分布。

如圖4(a)所示,基本頂初次破斷以后形成的小三角形懸頂在矸石支撐條件下上下板面應(yīng)力函數(shù)f(x,y)值均遠(yuǎn)小于1?？梢?小三角形懸頂較為穩(wěn)定,不易自然斷裂垮落,構(gòu)成基本頂周期斷裂前的結(jié)構(gòu)組成部分。隨著工作面推進(jìn),大三角板的上板面長邊的中下部(y?40 m)f(x,y)>1(圖4(b)),而下板面應(yīng)力比例函數(shù)仍然小于1,此時(shí)基本頂為局部斷裂,但仍能保持穩(wěn)定。隨工作面繼續(xù)向前推進(jìn),采空區(qū)上方懸露的基本頂形狀變?yōu)樘菪?圖4(c)),上板面在直長變中部(y=35~75 m)有大范圍f(x,y)>1,表明基本頂周期破斷呈傾斜梯形板破斷。

圖4　基本頂應(yīng)力比例函數(shù)f(x,y)等值線Fig.4 Contours of stress ratio function f(x,y)in the main roof stratum

綜合分析圖4(a)~(c)三個(gè)不同形狀板的上板面應(yīng)力比例函數(shù)f(x,y)分布,應(yīng)力分布可概括為“雙邊或三邊受拉,中部受壓”。函數(shù)f(x,y)最大拉應(yīng)力比值的位置偏離幾何中心,三角形板最大拉應(yīng)力比值位置為長邊的中部偏下區(qū)域,拉應(yīng)力區(qū)呈直線分布。梯形板最大拉應(yīng)力比值位置在長邊的中部偏上區(qū)域,拉應(yīng)力區(qū)也呈直線分布?？梢?大傾角基本頂周期破斷過程中,上板面長邊中下部區(qū)域首先破壞,隨著工作面推進(jìn),拉伸破壞區(qū)逐漸向工作面中上部發(fā)展。

基本頂上板面下部充填較密實(shí)的區(qū)域(0 m≤y≤20 m)與上部區(qū)域(80 m≤y≤100 m)范圍內(nèi)的應(yīng)力比例函數(shù)值較低,頂板周期破斷過程中該區(qū)域相對滯后斷裂。

綜合分析圖4(d)~(f)三個(gè)階段不同形狀板的下板面應(yīng)力比例函數(shù)f(x,y)分布,整體應(yīng)力分布可概括為“雙邊或三邊邊受壓,中部受拉”。中部受拉區(qū)平行于斜斷裂線方向發(fā)育。最大拉應(yīng)力比值位置位于三角形板的中下部區(qū)域。隨工作面不斷推進(jìn),最大拉應(yīng)力比值位置向中上部區(qū)域轉(zhuǎn)移?；卷敯l(fā)展為梯形板時(shí),中上部區(qū)域的f(x,y)>1。可見,基本頂周期斷裂出現(xiàn)在梯形板階段,且頂板斷裂后會形成斜斷裂帶。

基本頂下板面下部充填較密實(shí)的區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力函數(shù)值仍然較低,可見基本頂周期斷裂后也會在采空區(qū)上、下部形成懸頂結(jié)構(gòu)。

3 大傾角煤層基本頂周期破斷模式

3.1 基本頂斷裂線發(fā)育軌跡

通過對大傾角煤層上下板面應(yīng)力分析,證明基本頂周期斷裂應(yīng)力分布具有非對稱特征。該特征導(dǎo)致了大傾角煤層基本頂周期斷裂具有獨(dú)特的方式。

根據(jù)σx,σy,τxy可計(jì)算出最大主應(yīng)力方向[11]。將上下板面拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的最大主應(yīng)力矢量繪制同一圖內(nèi)(圖5),其中黑色直線為上板面矢量,粉色直線代表下板面矢量。

圖5　基本頂上下板面拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力矢量Fig.5 Maximum principal stress vectors in up and lowsurface of main roof stratum

斷裂力學(xué)研究表明,斷裂線發(fā)育軌跡垂直于最大主應(yīng)力矢量。據(jù)此可繪制出基本頂上下板面拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的斷裂線發(fā)育方向,其中上板面用實(shí)線表示,下板面用虛線表示。如圖5所示:

(1)頂板中部y=20~90 m是斷裂線發(fā)育較為密集的區(qū)域,所以此區(qū)域?yàn)榛卷斨芷跀嗔堰^程中較為活躍的區(qū)域,為中部斷裂區(qū)?；卷斏习迕嬷鲾嗔丫€分布在長直角邊靠近工作面附近,斷裂線沿直線方向發(fā)育。下板面主斷裂線主要集中在頂板的內(nèi)部,主斷裂線發(fā)育與初次斷裂形成的斜斷裂線基本平行,在頂板中部靠采空區(qū)側(cè)形成傾斜帶狀的破壞區(qū)。

(2)頂板上部主斷裂線位于基本頂上端頭,發(fā)育軌跡平行于x方向。由于主拉應(yīng)力矢量值較小,斷裂時(shí)序?qū)笥陧敯逯胁康臄嗔褏^(qū),形成臨時(shí)的懸頂結(jié)構(gòu)。中部頂板斷裂垮落后,上部臨時(shí)懸頂失去約束造成拉應(yīng)力增大,最終導(dǎo)致斷裂,該區(qū)域?yàn)樯喜靠迓鋮^(qū)。

(3)頂板下部y=0~20 m范圍內(nèi)的主拉應(yīng)力矢量較小,靠近下端頭工作面附近的應(yīng)力值甚至為零,表明該區(qū)域的基本頂較穩(wěn)定,區(qū)域?yàn)橄虏繎翼攨^(qū)。由于頂板中部斷裂線沿斜線方向發(fā)育,導(dǎo)致下部懸頂區(qū)與中部未斷裂區(qū)在頂板中下部共同形成新的小三角形懸頂結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是下一次基本頂周期斷裂的組成部分之一。

3.2 基本頂周期斷裂破壞區(qū)演化過程

將基本頂上下板面的應(yīng)力比例函數(shù)f(xi,yi)>1的點(diǎn)繪制在同一圖中,得出大傾角煤層基本頂破壞區(qū)演化示意圖(圖6),其中:紅色叉代表上板面破壞區(qū),藍(lán)色框代表下板面破壞區(qū)。圖中推進(jìn)度均按照基本頂初次垮落后的工作面煤壁位置為起始位置進(jìn)行計(jì)算。

圖6　基本頂上下板面破壞區(qū)演化Fig.6 Failure zone evolution in up and low surface of the main roof stratum

基本頂周期斷裂破壞區(qū)演化過程如下:

(1)工作面推進(jìn)至21 m時(shí),工作面煤壁附近的中下部基本頂出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)。隨著工作面走向推進(jìn)長度的增加,破裂區(qū)逐漸沿長邊向上擴(kuò)展(圖6(a))。此時(shí),頂板中部未出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)。

(2)工作面推進(jìn)至34 m時(shí),基本頂發(fā)展為傾斜梯形板。此時(shí)基本頂中部區(qū)域出現(xiàn)拉伸破壞區(qū),該破壞區(qū)沿著斜線方向發(fā)育(圖6(b))。位于長邊附近的拉伸破壞區(qū)向頂板上部擴(kuò)展,導(dǎo)致工作面中部y =30~70 m的基本頂發(fā)生大面積的斷裂、垮落,此時(shí)工作面中部區(qū)域的來壓現(xiàn)象明顯。頂板周期斷裂時(shí)序與初次斷裂時(shí)序略有不同,為中下部→中部→中上部。

(3)工作面推進(jìn)44 m時(shí),頂板中部的拉伸破壞區(qū)隨工作面不斷推進(jìn)繼續(xù)沿斜線方向向上擴(kuò)展,形成平行于采空區(qū)內(nèi)斷裂線的斜斷裂帶(圖6(c)),斷裂次序?yàn)棰?斷裂帶完全垮落后,在頂板內(nèi)形成斜斷裂線。上部基本頂失去中部頂板的約束,導(dǎo)致上部懸頂加速斷裂,斷裂次序?yàn)棰?可推斷工作面頂板斷裂的時(shí)序?yàn)橹猩喜俊喜?頂板內(nèi)部斜斷裂線與下部懸頂共同形成新的小三角形懸頂,小三角形懸頂在下一周期斷裂過程中斷裂、垮落,所以斷裂次序?yàn)棰邸?/p>

綜上,大傾角煤層基本頂破壞區(qū)特殊的演化過程,導(dǎo)致了工作面礦壓顯現(xiàn)具有非對稱性與時(shí)序性:基本頂周期破斷過程中拉伸破壞區(qū)起始位置處于工作面中下部,拉伸破壞區(qū)向頂板上部發(fā)育速度明顯快于下部,大面積垮落位置為頂板的中部及中上部區(qū)域。

然而,靠近工作面的基本頂下部區(qū)域沒有拉伸破壞區(qū),表明基本頂在周期斷裂過程中仍然會在工作面下部形成大面積的懸頂結(jié)構(gòu)。由于工作面下部矸石充填密實(shí),該懸頂結(jié)構(gòu)不易自然斷裂。

3.3 基本頂周期斷裂模式及演化過程

通過大傾角煤層基本頂周期斷裂過程中應(yīng)力分布特征、斷裂線發(fā)育軌跡與破壞區(qū)演化規(guī)律的分析,可將周期斷裂模式及演化過程可概括為:

(1)基本頂上一周期斷裂后中部區(qū)域的頂板完全冒落,其斷裂次序?yàn)棰?。上部區(qū)域頂板由于失去中部頂板的約束,導(dǎo)致應(yīng)力集中而斷裂,僅有少部分處于懸露狀態(tài),斷裂次序?yàn)棰凇Ｏ虏炕卷斝纬奢^穩(wěn)定的小三角形懸頂結(jié)構(gòu)(圖7(a))。

圖7　基本頂周期斷裂模式與演化Fig.7 Periodic fracture mode and evolution of the main roof stratum

(2)隨著工作面的推進(jìn),上一周期內(nèi)未斷裂的小三角形沿著斜斷裂線擴(kuò)展為大三角形懸板。此時(shí),在大三角形基本頂?shù)闹邢虏繀^(qū)域出現(xiàn)拉伸破壞區(qū),但未導(dǎo)致頂板垮落,工作面中下部支架壓力增大(圖7(b))。

(3)隨工作面繼續(xù)推進(jìn),“大三角形”基本頂演變成“梯形”頂板。工作面中部區(qū)域形成斜拉伸破壞區(qū)并垮落,工作面中部及中上部區(qū)域大面積來壓,形成新的斜斷裂線。上部頂板失去中部頂板的約束,在超前煤壁的頂板內(nèi)形成高應(yīng)力集中區(qū),導(dǎo)致基本頂內(nèi)部的斜斷裂線會沿斜線方向延伸至工作面前方煤壁頂板中。部分上部懸頂垮落,工作面上部來壓。下部頂板內(nèi)應(yīng)力值較低,不易自然斷裂,形成新的小三角形懸頂,是下一次周期斷裂的組成部分。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)下方的小三角形懸頂會按著超前范圍內(nèi)的斜斷裂軌跡逐漸擴(kuò)展成大三角形,進(jìn)入下一次基本頂周期斷裂(圖7(c))。歸納出基本頂周期破斷時(shí)空順序?yàn)?“中下部→中上部→上部→下部”。

綜上所述,大傾角煤層綜放開采基本頂周期斷裂過程為“小三角形”的懸頂結(jié)構(gòu)→“大三角形”懸板→“梯形板”斷裂→“小三角形”的懸頂結(jié)構(gòu)。周而復(fù)始的周期斷裂,形成了特殊的“四邊形”周期斷裂特征?！八倪呅巍敝芷跀嗔丫€上部位于工作面前方,下部位于工作面后方。工作面周期斷裂表現(xiàn)出時(shí)序性與非對稱性特征。

由理論分析可知,大傾角基本頂中部最先垮落,且冒落范圍較大。將四邊形的中部寬度Li作為理論推導(dǎo)的周期來壓步距,王家山煤礦大傾角煤層綜放開采周期來壓步距為31 m。

4 基本頂周期斷裂期采場圍巖應(yīng)力場分布及礦壓顯現(xiàn)特征

4.1 采場圍巖應(yīng)力分布

在基本頂初次破斷研究中建立的FLAC3D模型(已回采至50 m)基礎(chǔ)上[1],再向前推進(jìn)40 m。分析基本頂周期垮落時(shí)期圍巖應(yīng)力場分布特征。

如圖8所示,基本頂呈梯形板后進(jìn)入周期破斷階段。煤層回采后,基本頂內(nèi)中部區(qū)域的應(yīng)力值最低,且低應(yīng)力區(qū)沿斜線分布,表明基本頂中部區(qū)域已經(jīng)垮落,并在中下部區(qū)域形成斜斷裂線。

圖8　基本頂內(nèi)最大主應(yīng)力云圖Fig.8 Maximum principal stress nephogram in main roof

中部頂板斷裂后,應(yīng)力轉(zhuǎn)移至未垮落區(qū)域內(nèi)。處于懸露狀態(tài)的上部頂板失去中部頂板的約束,在基本頂上部形成20 MPa的高應(yīng)力集中區(qū)。表明上部頂板隨中部頂板垮落而發(fā)生斷裂。根據(jù)高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的矢量,基本頂內(nèi)部斜斷裂線將延伸至工作面前方煤壁頂板中。造成周期來壓時(shí),回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)超前影響范圍大于運(yùn)輸巷。

下部基本頂由于受到密實(shí)矸石的支撐,且應(yīng)力值相對較低,形成了新的三角形懸頂。工作面下部的懸頂區(qū)內(nèi)的高應(yīng)力向工作面超前頂板傳遞。懸頂面積越大,聚集的彈性能越高,易導(dǎo)致工作面下隅角能量聚集型動(dòng)壓顯現(xiàn)[12]。應(yīng)及時(shí)采取礦壓防治措施[13],降低工作面下出口超前范圍內(nèi)聚集較大彈性能。

4.2 基本頂周期破斷礦壓顯現(xiàn)特征

在47407工作面沿傾斜由下至上分別在13.5, 40.5,54,81 m處布置礦壓監(jiān)測站,連續(xù)監(jiān)測工作面下、中下、中上、上部4個(gè)位置支架阻力變化。

圖9顯示,當(dāng)工作面推進(jìn)11 m時(shí),工作面中下部支架阻力突然上升,最大可以達(dá)到23 MPa以上,動(dòng)載系數(shù)較大,周期來壓顯現(xiàn)劇烈。工作面中上部支架阻力再推進(jìn)6 m后來壓,工作面中部出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。工作面上部支架來壓較晚,滯后于中部支架來壓約7 m。但其余大部分時(shí)段處于低荷載甚至空載狀態(tài),證明工作面上部的頂板需失去中部頂板約束后,才會斷裂垮落。

圖9　工作面周期來壓支架阻力變化Fig.9 Support resistances variation in working face during periodic weight

下一周期來壓中,仍然是中下部支架首先來壓,其次是中上部→上部支架來壓,反映出“四邊形”型周期斷裂模式演化過程。

圖10為初采工作面周期來壓前后兩巷的超前單體液壓支柱壓力。周期來壓前回風(fēng)巷超前0~80 m范圍內(nèi)壓力值均超過17 MPa,而運(yùn)輸巷超前30 m范圍支柱壓力值均大于20 MPa?？梢?回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)超前影響范圍大于運(yùn)輸巷。

圖10　工作面超前單體液壓支柱壓力Fig.10 Hydraulic prop resistances ahead of mining face

周期來壓后,回風(fēng)巷超前30 m范圍內(nèi)頂板彈性能得到充分釋放,超前頂板壓力峰值轉(zhuǎn)移至超前40 m范圍以外。工作面下部基本頂不能及時(shí)破斷,由于頂板懸露面積增大與矸石被逐漸壓密導(dǎo)致運(yùn)輸巷超前30 m范圍內(nèi)的支柱壓力增大。

5 結(jié) 論

(1)大傾角煤層基本頂應(yīng)力分布具有非對稱特征?；卷斏习迕孀畲罄瓚?yīng)力初始位置為長邊的中部偏下。隨著工作面的推進(jìn),最大拉應(yīng)力位置逐漸向上轉(zhuǎn)移?；卷斚掳迕媸芾瓍^(qū)平行于斜斷裂線方向發(fā)育。

(2)大傾角煤層基本頂上下板面斷裂線呈非對稱發(fā)育。中部基本頂上板面主斷裂線分布在長直角邊沿煤壁發(fā)育。下板面主斷裂線在頂板內(nèi)部,沿斜線方向發(fā)育。上部頂板主斷裂線沿水平方向發(fā)育,下部頂板內(nèi)沒有主斷裂線發(fā)育。斷裂線發(fā)育形成上部垮落區(qū)、中部斷裂區(qū)、下部懸頂區(qū)。

(3)大傾角煤層基本頂呈“四邊形”周期斷裂模式。在“四邊形”周期斷裂模式演化過程中,基本頂斷裂的空間次序?yàn)轫敯逯胁俊喜俊虏?工作面周期來壓的時(shí)序?yàn)椤爸邢虏俊猩喜俊喜俊虏俊薄?/p>

(4)大傾角煤層開采周期來壓具有時(shí)空強(qiáng)非對稱特征?；仫L(fēng)巷的礦壓顯現(xiàn)超前影響范圍大于運(yùn)輸

巷,基本頂在工作面下部形成較大范圍的懸頂,并聚集較高的彈性能,需及時(shí)采取卸壓措施,防止動(dòng)壓顯現(xiàn)事件發(fā)生。

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Fracture mode and evolution of main roof stratum above fully mechanized top coal caving longwall coalface in steeply inclined thick coal seam (II):Periodic fracture

WANG Jin-an1,ZHANG Ji-wei1,GAO Xiao-ming2,WEN Jian-dong2,GU Ya-dan2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Gansu Jingyuan Coal Industry & Electricity Power Co.,Ltd.,Baiyin 730900,China)

Abstract:Based on the theory of elasticity,thin plate mechanical analytic models of main roof stratum transformed from small triangular,big triangular and trapezoid above caving gob were established during the mining face advancing in steeply inclined thick coal seam.The stress distributions in the upper and lower surface of main roof stratum in three types of models as mentioned above were calculated.The laws of fracture trajectory development and failure zone evolution were revealed.The periodic fracture mode of main roof stratum,termed as“Quadrangle”was put forward with respect to the mining of steeply inclined thick coal seam.The study shows that the spatial sequence of periodic fracture is“l(fā)ower-middle to upper-middle,and upper to lower”of the mining face.In combination of numerical modeling and monitoring,the asymmetrical and sequential characteristic of stress distribution in the main roof stratum and the mining induced pressure in working face are verified during periodic fracture.

Key words:steeply inclined coal seam;fully mechanized top-caving miming;main roof stratum;periodic fracture; hanging roof structure

通訊作者:張基偉(1988—),男,內(nèi)蒙古包頭人,博士研究生。E-mail:qiyijianjunyi@ sina.com

作者簡介:王金安(1958—),男,河北昌黎人,教授。Tel:010-62334098,E-mail:wja@ ustb.edu.com。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1361208)

收稿日期:2015-03-27

中圖分類號:TD325

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2015)08-1737-09