耿春雷

(晉煤集團(tuán)晟泰公司，山西 晉城 048000)

引 言

當(dāng)采空區(qū)推進(jìn)距離逐漸變大時(shí)，懸露頂板面積加大，在自重狀態(tài)下，頂板會(huì)發(fā)生彎曲，巖層內(nèi)部產(chǎn)生大范圍的裂縫，且裂縫不斷擴(kuò)展，關(guān)鍵層垮落。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度[1-2]，所以頂板很容易被拉斷，發(fā)生垮落，產(chǎn)生峰值載荷。如果上覆巖層強(qiáng)度較高，那么，只有當(dāng)采空區(qū)面積較大時(shí)，頂板才發(fā)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(duì)山西某礦4-2號(hào)厚煤層工作面堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行研究，從而為煤層的開采提供了科學(xué)依據(jù)。

1 煤層概況

4-2號(hào)煤層位于4-1號(hào)煤層之下，從北向南距4-1號(hào)煤的距離逐漸變大。4-2號(hào)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(wěn)定型厚煤層，煤體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，全井田可采。4-1號(hào)和4-2號(hào)未合并區(qū)煤層采用走向長(zhǎng)壁綜放式開采。4-1號(hào)和4-2號(hào)合并區(qū)厚度大， 設(shè)計(jì)采用綜放分層開采工藝。本文所研究的堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行4-2號(hào)煤層單獨(dú)開采區(qū)域，且距4-1號(hào)煤層的距離大。

2 堅(jiān)硬頂板垮落步距分析

隨著工作面的不斷推進(jìn)，堅(jiān)硬頂板較難及時(shí)垮落故懸露范圍越來(lái)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(yīng)變問題。

頂板初次來(lái)壓時(shí)，依據(jù)堅(jiān)硬頂板的受力特點(diǎn)，可將頂板簡(jiǎn)化為兩端受關(guān)鍵墊層支撐、上部受均布載荷作用的連續(xù)介質(zhì)梁[3]。簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型示意圖見圖1所示。

圖1 初次來(lái)壓堅(jiān)硬頂板力學(xué)模型示意圖

墊層對(duì)堅(jiān)硬頂板的支撐力可用公式(1)計(jì)算。

P=-ky

(1)

式中：P為墊層對(duì)堅(jiān)硬頂板的支撐力，kN；k為地基系數(shù)，kN/mm；y為梁的撓度，mm。

地基系數(shù)可用公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：E0為關(guān)鍵墊層的楊氏模量，GPa；h0為關(guān)鍵墊層的厚度，m。

由圖1可以看出，堅(jiān)硬頂板的受力關(guān)于其中心位置對(duì)稱，故為了簡(jiǎn)便分析，取連續(xù)介質(zhì)梁的一半進(jìn)行研究。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型見圖2所示。

圖2 初次來(lái)壓堅(jiān)硬頂板計(jì)算模型示意圖

根據(jù)圖2以及材料力學(xué)理論可得公式(3)以及公式(4)。

(3)

M=EIy″

(4)

當(dāng)考慮彈性地基基礎(chǔ)時(shí)，彎矩M可用公式(5)和公式(6)計(jì)算。

當(dāng)-l≤x≤0時(shí)，

M=q[0.5x2+lx+0.5(1-2α)l2]

(5)

當(dāng)x>0時(shí)，

(6)

對(duì)于巖石來(lái)說，其抗拉強(qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10，當(dāng)彎矩達(dá)到極大值時(shí)，可得到梁的跨斷位置。

設(shè)頂板極限初次垮落步距為L(zhǎng)初次，則可得公式(7)。

L初次=2(l+x2)

(7)

當(dāng)分析力學(xué)模型時(shí)不考慮彈性地基基礎(chǔ)時(shí)，則堅(jiān)硬頂板在兩頭固定端位置發(fā)生破斷失穩(wěn)。此時(shí)：

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(dāng)堅(jiān)硬頂板初次垮落后，可將頂板簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下部受到采場(chǎng)支架的支撐作用，上部依然受到均布載荷作用。簡(jiǎn)化后的堅(jiān)硬頂板計(jì)算模型見圖3所示。

由于頂板的懸露范圍遠(yuǎn)大于采場(chǎng)支架的支撐寬度，故在計(jì)算堅(jiān)硬頂板的周期垮落步距時(shí)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(jì)算。

M=0.5q(l+l支架-x)2

(9)

圖3 周期來(lái)壓堅(jiān)硬頂板計(jì)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(hào)煤層堅(jiān)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(jiān)硬頂板破斷特征分析

鑒于堅(jiān)硬頂板的硬度極大，強(qiáng)度極高，這就使得堅(jiān)硬頂板的垮落步距極大，破斷具有瞬時(shí)性，同時(shí)，破斷頂板表現(xiàn)出較高的完整性，對(duì)采場(chǎng)很容易造成沖擊礦壓現(xiàn)象。故，需要對(duì)厚煤層堅(jiān)硬頂板的破斷特征進(jìn)行分析。

圖4表示了頂板巖層隨工作面開挖而產(chǎn)生的破斷失穩(wěn)示意圖，在工作面推進(jìn)過程中，覆巖首先發(fā)生“O～X”破斷形式，隨后逐漸轉(zhuǎn)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(gè)不同階段的破損線。

圖4 頂板破斷失穩(wěn)示意圖

第一階段：覆巖懸露范圍隨著工作面的不斷推進(jìn)而增大，當(dāng)工作面開挖至一定距離，臨近場(chǎng)邊中部位置的覆巖開始發(fā)生破斷，同時(shí)，產(chǎn)生A1破損線，該破損線會(huì)沿著短邊擴(kuò)展延伸。

第二階段：當(dāng)A1破損線擴(kuò)展到一定范圍，短邊中間位置的覆巖也開始發(fā)生破斷，并產(chǎn)生A2破損線，該破損線沿著邊界繼續(xù)發(fā)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(xù)推進(jìn)，覆巖中部位置也開始發(fā)生破斷，產(chǎn)生A3破損線，同時(shí)，該破損線沿著A1和A2破損線形成的交點(diǎn)擴(kuò)展，從而形成“X”破斷。這就是采場(chǎng)覆巖破斷的“O～X”形式。

在工作面推進(jìn)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(qū)域，同時(shí)，頂板發(fā)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(huán)出現(xiàn)，頂板周期垮落。

4 結(jié)束語(yǔ)