申文波

（西山煤電集團(tuán)斜溝礦，山西 呂梁 033600）

綜放工作面正常推進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)穿過(guò)特殊的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，工作面所處圍巖的力學(xué)特性會(huì)發(fā)生很大變化，當(dāng)遇到斷層、風(fēng)氧化帶等構(gòu)造時(shí)，圍巖的整體性破壞很嚴(yán)重，頂板、圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布，且容易集中，破壞性比較大。過(guò)風(fēng)氧化帶的工作面常常會(huì)由于破碎的巖石和黏土等松散物質(zhì)的存在發(fā)生漏頂，使工作面刮板輸送機(jī)因附著大量黏土導(dǎo)致故障增多，極大影響工作面安全、高效生產(chǎn)。因此，對(duì)于綜放工作面過(guò)風(fēng)氧化帶的頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究十分必要。

1 工程概況

山西省西山煤電斜溝礦1805工作面所在煤層為8#煤下分層，上覆基巖和表土層厚度33.63～154.36m。1805工作面凈寬為238.8m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為638.9m，煤層厚度為3.3～3.5m，平均厚度為3.4m。

1805工作面直接頂為厚度5.6m的泥巖，偽頂為平均厚度0.1m的炭質(zhì)泥巖，直接頂?shù)木植繆A雜黏土層。

工作面正常推進(jìn)到490m時(shí)，刮板輸送機(jī)經(jīng)常由于過(guò)載而發(fā)生故障，無(wú)法啟動(dòng)。此時(shí)頂板和底板以及煤幫整體比較松軟，極易破壞失穩(wěn)，因此確定綜放工作面已到達(dá)風(fēng)氧化帶。此時(shí)頂板的礦壓規(guī)律不明確，液壓支架選型已無(wú)法借用原有經(jīng)驗(yàn)，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)也比較大。為保證工作面生產(chǎn)過(guò)程中的安全，確保安全高效的生產(chǎn)，針對(duì)綜采工作面過(guò)風(fēng)氧化帶的頂板圍巖礦壓規(guī)律的研究迫在眉睫，以達(dá)到指導(dǎo)施工的目的。

2 工作面頂板力學(xué)模型及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

2.1 力學(xué)模型的提出

回采工作面前方超前應(yīng)力分布規(guī)律如圖1（a）所示。工作面在開(kāi)采過(guò)程中，由于工作面前方超前應(yīng)力的作用，會(huì)將工作面煤壁壓碎，形成圖1（a）中的破壞區(qū)域A。在距離工作面較遠(yuǎn)的煤體內(nèi)，存在彈性受力區(qū)B。由于工作面不斷地靠近風(fēng)氧化帶，風(fēng)氧化帶對(duì)工作面的影響越來(lái)越大，由于承受應(yīng)力的煤體越來(lái)越窄，彈性受力區(qū)B越來(lái)越小，來(lái)自上方圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)k’增加到k。隨著彈性受力區(qū)B逐漸減小，在其范圍等于零時(shí)，此時(shí)工作面煤體處于極限平衡狀態(tài)，在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置應(yīng)力峰值處于最高水平。此時(shí)，在集中應(yīng)力作用下，工作面圍巖結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失穩(wěn)，頂板變形量加大，管理困難，容易發(fā)生事故。因此，本文將針對(duì)此狀態(tài)下工作面壓力最大、頂板最難管理的情況，建立工作面直接頂?shù)牧W(xué)模型進(jìn)行分析研究。

圖1 工作面頂板力學(xué)模型

根據(jù)回采工作面通過(guò)風(fēng)氧化帶時(shí)圍巖結(jié)構(gòu)的特征及應(yīng)力分布規(guī)律，建立工作面頂板極限平衡狀態(tài)力學(xué)模型如圖1（b）所示。模型上邊界為給定變形邊界。在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置處于極限平衡狀態(tài)，通過(guò)彈性模量計(jì)算公式E=σ/ε得：

式中：

S0-煤體彈性變形量，m；

k-應(yīng)力集中系數(shù)；

H-開(kāi)采深度，m；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

m-工作面采高，m；

E1-煤層的彈性模量，MPa。

頂板模型下邊界由工作面液壓支架提供支撐力P1，煤體提供支撐力P2；模型的左邊界模擬風(fēng)氧化帶對(duì)頂板造成的影響，可視為連桿約束；模型右邊界模擬采空區(qū)，對(duì)頂板產(chǎn)生水平支撐力，可視為水平荷載P3。

支架阻力P1計(jì)算式如下：

式中：

x-水平方向到風(fēng)氧化帶距離，x∈[l，L]，m；

F-液壓支架支撐力，kN；

L-控頂距，m；

l-煤體寬度，m。

煤體支承力P2計(jì)算：

煤體在垂直應(yīng)力作用下的狀態(tài)包括三個(gè)階段：彈性階段、塑性軟化階段、塑性流動(dòng)階段，在應(yīng)力極限平衡狀態(tài)下可視為彈塑性應(yīng)變軟化模型。因此在三軸應(yīng)力條件下，煤體的抗壓強(qiáng)度條件為：

式中：

σ1-最大主應(yīng)力，MPa；

σ3-最小主應(yīng)力，MPa；

Kp-三軸系數(shù)，即

σl*-煤體殘余強(qiáng)度，MPa。

由于模型右側(cè)為采空區(qū)，左側(cè)為風(fēng)氧化帶，模型在Y方向受到的應(yīng)力σy較X方向受到的應(yīng)力σx大得多，因此可認(rèn)為σy=σ1=P2，σx=σ3，所以有：

在0≤x≤l的區(qū)域，假設(shè)P2為線性分布，設(shè)方程：

當(dāng)x=0時(shí)，P2=σy=kγH；當(dāng)x=l時(shí)，σx=0代入（4）式得P2=σy=σl*。則P2的表達(dá)式為：

式中：

x-水平方向到風(fēng)氧化帶距離，m；

k-應(yīng)力集中系數(shù)；

H-開(kāi)采深度，m；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

σl*-煤體殘余強(qiáng)度，MPa；

l-煤體寬度，m。

2.2 風(fēng)氧化帶附近的應(yīng)力場(chǎng)

風(fēng)氧化帶應(yīng)力分布規(guī)律與構(gòu)造面的強(qiáng)度相對(duì)于圍巖強(qiáng)度有關(guān)，其附近的應(yīng)力分布情況可分為:（1）在構(gòu)造帶內(nèi)沒(méi)有充填物質(zhì)的情況下，構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力與構(gòu)造面趨于平行，如圖2中的情況1；（2）在構(gòu)造帶內(nèi)存在與附近圍巖相似的充填物質(zhì)的情況下，構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力方向不變，如圖2中的情況2；（3）在構(gòu)造帶內(nèi)存在比附近圍巖巖性更加堅(jiān)硬充填物質(zhì)的情況下，構(gòu)造帶的最大主應(yīng)力與構(gòu)造面垂直，如圖2中的情況3所示。

圖2 構(gòu)造附近應(yīng)力狀態(tài)

由于淺埋深工作面內(nèi)的風(fēng)氧化帶內(nèi)部的充填物質(zhì)比附近圍巖的強(qiáng)度低，因此，為更清楚地掌握風(fēng)氧化帶構(gòu)造的應(yīng)力分布情況，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)氧化帶附近的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

本文選用3DEC數(shù)值模擬軟件對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造進(jìn)行模擬研究。建立模型，模型尺寸為：長(zhǎng)(X方向)×寬 (Y方向)× 厚 (Z方向)=100 ×100 ×lm。邊界條件：下邊界為法向位移約束yvel=0、左、右邊界施加最大主應(yīng)力sxx=σ、上邊界施加最小主應(yīng)力syy=σ、Z方向施加法向位移約束zvel=0。

本文采用3DEC內(nèi)置的Discontinuity模擬風(fēng)氧化帶構(gòu)造面，圍巖力學(xué)參數(shù)、構(gòu)造面參數(shù)如表1、表2所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

表2 斷裂構(gòu)造面力學(xué)參數(shù)表

為方便對(duì)比研究，本文建立三個(gè)構(gòu)造模型：模型一、模型二、模型三。模型一的構(gòu)造面內(nèi)摩擦角=0°，內(nèi)聚力=0MPa。模型二的構(gòu)造面內(nèi)摩擦角=80°，內(nèi)聚力=0.2MPa。模型3為理想狀態(tài)下模型，無(wú)構(gòu)造面。

對(duì)模型的最大、最小主應(yīng)力進(jìn)行研究分析，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 最大主應(yīng)力分布云圖

圖4 主應(yīng)力方位

通過(guò)觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)氧化帶構(gòu)造會(huì)對(duì)均勻的應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，使風(fēng)氧化帶的兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力差，在模型一中，風(fēng)氧化帶的最大主應(yīng)力差=5.8MPa；在模型二中，風(fēng)氧化帶的最大主應(yīng)力差=2.8MPa。

由圖4可發(fā)現(xiàn)：主應(yīng)力的方向會(huì)由于風(fēng)氧化帶構(gòu)造的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，模型一和模型二中，雖然二者的共同點(diǎn)是越接近風(fēng)氧化帶偏轉(zhuǎn)角越大，但是，模型一和模型二的風(fēng)氧化帶最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角分別為 0°～60°和0°～30°。

3 結(jié)論

（1）在風(fēng)氧化帶與煤體的交界位置應(yīng)力峰值處于最高水平。此時(shí)，工作面圍巖極容易由于應(yīng)力集中而失穩(wěn)，頂板的變形量也加大，對(duì)于頂板的管理也比較困難，液壓支架選型也會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)引起足夠重視。

（2）在對(duì)風(fēng)氧化帶構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)模型的風(fēng)氧化帶周圍主應(yīng)力變化的規(guī)律區(qū)別較大，模型一、模型二中，主應(yīng)力分別偏轉(zhuǎn)0～60°、0～30°，模型一偏轉(zhuǎn)較大，并且在兩個(gè)模型中，風(fēng)氧化帶周圍的應(yīng)力場(chǎng)范圍也不同，模型一大于模型二。因此可以推斷，風(fēng)氧化帶構(gòu)造內(nèi)部填充物的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)構(gòu)造周圍的應(yīng)力場(chǎng)變化有著巨大的影響，填充物的物理力學(xué)性質(zhì)越差，主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度越大，構(gòu)造應(yīng)力越復(fù)雜。

風(fēng)氧化帶構(gòu)造的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致圍巖的整體性破壞，圍巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，破壞性比較大，由于圍巖整體性差，會(huì)導(dǎo)致圍巖內(nèi)部混入其他物質(zhì)，而這些充填物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)氧化帶內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)更加復(fù)雜，越容易發(fā)生事故，更應(yīng)該引起重視。