综放工作面过风氧化带端面冒落机理研究与应用①

2013-03-19彭可平师皓宇石来阳

华北科技学院学报 2013年1期

彭可平田多师皓宇石来阳

(1.中煤平朔有限责任公司井工三矿，山西朔州 036000;2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

0 工程概况

平朔煤业有限责任公司井工三矿39107工作面因存在断层、冲刷带等构造，煤层局部遭到破坏，出现上抬、下沉或缺失;工作面北端埋藏较浅的煤层局部被氧化成了风氧化煤;39107工作面辅运巷QF10点后14.6 m至QF9点前14 m，共计52 m，顶板破碎，巷道超高;此处煤层部分风氧化，支护困难，现场已扶拱形棚支护。

该工作面位于井工三矿井田西北部，工作面标高1180～1285 m，西部为39106工作面，东部为39108工作面，南靠9#煤东翼辅运大巷 (西段)，北部靠近大沙沟及风化露头;工作面走向长度575.8 m，倾斜宽度300 m，平均倾角8°，面积174437.6 m2。地表为黄土丘陵，大部分被森林覆盖，沟谷发育，地面标高 1344.7～1425.6。该工作面煤层厚度在11.03～13.80 m之间，平均煤厚 12.22 m，埋深为 54.7～193.9 m。

当工作面推过风氧化带时，推过期间顶板的变形和破坏是一个极其复杂的力学过程，松软破碎顶板易发生端面冒顶事故，端面冒顶的实质就是支架前方顶板的破碎失稳所致［1，2］。本文就端面冒落机理与端面顶板结构进行研究，依此确定其防治措施。

1 计算模型建立

本文采用UDEC计算软件，UDEC(Universal Distinct Element Code)是一种基于非连续体模拟离散单元法的数值计算程序。它主要模拟静载或动载条件下非连续介质 (如节理块体)的力学行为特征，通过离散块体的组合来反映非连续介质，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。本文选取摩尔——库伦塑性模型，所涉及的岩石物理力学参数包括:体积模量(B)、剪切模量(S)、内聚力(C)、摩擦角 (φ)、密度。岩石力学参数如表1所示。

表1 岩石物理力学性质

2 端面冒落机理与端面结构分析

端面冒顶计算结果如图1、图2所示。

由图1可以看出，当工作面直接推过风氧化带时，支架的顶板、底板、煤壁前方均发生塑性破坏，端面顶板冒落较为严重，冒高超过1.5 m，且由于冒顶带动煤壁片帮，在煤壁前上方易片帮，采面上部片帮深度为0.5 m，如不及时处理片帮深度可能会继续发展，从而增大架前空顶距离，造成严重的冒顶。由图2可以看出，当工作面过风氧化带时，架前顶板内的垂直应力呈拱形分布，在拱轴线上的垂直应力为2.6 MPa，应力平衡拱的高度即为架前顶板的冒落高度约为1.5 m;拱轴线下岩体的应力降至1 MPa，表明该部分岩体应力释放，已经破坏。

图1 端面冒落状态图

图2 端面顶板应力分布图

因此综放面过风氧化带时，其端面冒落呈拱形，拱轴线上岩体承载较高压力［3］。

3 端面冒落力学机理

当工作面推进风氧化带时，由于围岩松软破碎，采场附近岩体均发生一定程度的破坏，端面顶板岩体开始冒落，上方各岩块在下移过程中发生松弛接触，并使发生微小的转动，从而使岩块楔紧力增长。因而，在岩块沿着接触面滑移并伴随岩块微小转动过程中，顶板将出项一个极限平衡的楔紧拱，拱线上各单元体均满足τ=σtanφ +C这一极限平衡条件;拱线以下岩块由于楔紧程度不够而松脱下来，拱线以上岩石重量及载荷则经此楔紧的拱圈传递到前后两个拱角——煤壁和支架上，这是一种脆弱的结构，一旦受力状态发生变化，或暴露时间过长，由于蠕变作用，平衡被打破，冒高和冒宽进一步拓广，在此过程中，又会形成新的平衡拱［4］。

平衡拱主要受内因和外因影响，内因有岩块单元块大小、围岩强度、顶板裂隙面摩擦角、内聚力等，外因有前后拱角支撑条件，在既定条件下，内因是一定的，而前后拱脚对冒落拱的平衡具有重要作用，当拱处于平衡状态时，如图3所示，则有:

式中R'AR'B为平衡拱前后拱脚的垂直支撑力，H'AH'B为平衡拱前后拱脚的水平支撑力，q为平衡拱覆岩载荷，L为平衡拱前后拱脚水平距离。

图3 冒落拱受力分析图

由顶铰C处的弯矩Mc=0，则

H'为拱顶处水平支撑力，f为顶铰C与前后拱脚间的竖直距离，f'为顶铰C与前后拱脚间的竖直距离。

拱高为h，则有f=h－lbtanα，故:

则冒落拱前后拱脚的垂直支撑力RA、RB和水平支撑力HA、HB分别为:

式中RA

由以上分析可知:

1)在其他条件一定时，冒落拱平衡所需后拱脚力RA、HA随着载荷Q的增大而增大;

2)冒落拱的跨度L越大，所需拱脚力越小，因此减小端面距有利于冒落拱的稳定;

3)冒落拱高h与拱脚处水平支撑力成反比，即端面冒顶可减小支架支撑阻力;

4)前后拱脚之间高差(h－latanα)增大，所需后拱脚支撑力增大，因此应提高支架初撑力;支架的抬头角增大或支架受力不平衡也会引起冒落拱前后拱脚高差的增大;

5)由于采动影响，该平衡拱发生破坏，开始向上移动，即冒落高度和范围增加。

4 注浆对端面顶板结构影响分析

注浆之前端面顶板上方存在起承载作用的高应力拱，即由多个岩块相互挤压形成一个极限平衡的楔紧拱，拱轴线下岩体为主要冒落区域，且该冒落拱受采动影响可能向上方发展;当注浆加固顶板时，由图4所示，架前顶板基本处于均布载荷，端面顶板载荷约为2.4 MPa左右，表明端面顶板注浆加固层可承载上覆岩层载荷，此时端面顶板由冒落拱结构转向简支梁结构。

图4 顶板注浆加固时采场应力等值线图

随着采动影响，端面顶板上方仍可形成一个应力平衡拱，平衡拱及其上方岩体形成平衡结构，平衡拱以下岩体主要由端面注浆加固顶板承载;因此端面注浆设计的原则就是注浆加固顶板的厚度能承载平衡拱下岩体的重量;按平面问题研究，如图5所示，应力调整达到图所示应力状态，应力环境与端面注浆顶板自身力学性能相适应，可平衡稳定，其变形也不会进一步发展。