急倾斜工作面支架稳定性分析

2014-04-01马淑胤

中国矿业 2014年10期

马淑胤

(安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南 232001)

通过大量研究与实践表明，在井下进行的采矿活动，破坏了煤岩体原岩应力，使得其应力重新分布。伍永平提出急倾斜“R-S-F”系统中，由于工作面急倾斜特殊性，使得采煤空间围岩破坏与缓倾斜工作面围岩不同，导致在工作面垂直方向上，顶板-支架-底板的系统中，支架存在挤压型失稳、下滑失稳、倾倒失稳三种失稳方式[1-4]。而解盘石等[6-7]在倾斜砌体结构理论的基础上，研究覆岩空间活动规律，以及从顶板角度对支架进行稳定性分析。但是缺乏从底板角度对支护体系稳定性研究。

同时，石平五等[8]也指出底板破坏后滑移体多为楔形体或平行四边形的滑移机理。但是同样缺乏对底板破坏滑移体运动的进一步研究，以及对影响工作面支架稳定性分析。因此，对急倾斜工作面底板破坏进一步进行研究有助于工作面支架的稳定性控制。

1 顶、底板与支架共同作用力学模型

煤层倾角在45°以上急倾斜煤层工作面，由于工作面底板破坏滑移对整个支架围岩系统有着重要影响，是可能造成支架失稳倾倒，造成围岩大范围破坏主要因素。在工作面垂直方向上“顶板-支架-底板”系统中，底板破坏滑移将会造成支架失稳倒斜，降低支护体系有效支撑力，减小支护体系稳定性，增大了支护体系破坏趋势，造成围岩失稳。

工作面底板岩层破坏是与底板岩层在开采后引起应力重新分布有关。随着工作面向前推进，工作面底板岩层经历了应力集中-卸载-再集中的情况，又受到工作面支护设备对底板的反复附加力作用，导致底板岩层内部应力发生了很大变化。原来处在压缩状态底板岩层应力将迅速卸除，底板内部节理裂隙会随着岩体受力卸载松驰而进一步扩展和贯通破坏。

图1为急倾斜工作面示意图，为了分析底板的破坏形式，借助边坡失稳机理，我们把图1简化为图2形式。如图2所示，我们分析支架在受到顶板倾向正压作用时，底板破坏对支架产生的影响。

图1 急倾斜工作面示意图

假设底板岩层破坏滑移块体为楔形体，力学模型简化如图2所示。

根据图2所示底板破坏楔形体力学模型，可以把急倾斜工作面看成为边坡体，底板破坏看成是边坡楔形滑坡体破坏，这样我们把急倾斜工作面底板进行边坡稳定极限分析，通过虚功原理推导安全系数F。

设作用在底板楔形滑块体的体积力为Wl，作用在滑面上的切向力可分成两个部分，一部分为凝聚力Cl,e，其值为cl,eA，另一部分为法向力形成的摩擦力与法向力Nl构成的合力Pl,e，即“组合摩擦力”，它与滑面法向夹角φe。还有支架对滑移块体的附加力G1与顶板倾向正压作用的分力W1，并对楔形块体建立静力平衡方程，见式(1)。

图2 倾向正压作用下支架与底板的力学模型

W1+G1+Wl+pl,e+Pj,e+Cl,e+Cj,e=0

(1)

式中Pj,e和Cj,e为右侧条块通过倾斜边界AB作用于左侧楔形滑移体的力。

如果计算外力在该楔形体沿速度Vl上作的功，那么由于作用在底滑面和界面上未知“组合摩擦力”Pl和Pj分别与Vl和Vj垂直，故而，这些未知内力沿该位移所作的功均为零。则式(1)的标量表达形式见式(2)。

(2)

式中ψl为重力与Vl夹角。

安全系数F定义见式(3)。

(3)

式(3)代入式(2)，得出安全系数F表达式(4)。

(4)

2 工作面底板破坏对支架稳定影响机制分析

在工作面垂直方向上顶板-支架-底板体系中，底板可以说是该体系稳定的基础，也就是说工作面底板控制是对设备与顶板稳定性控制基础。从该意义上来说，底板破坏与滑移控制效果对支架-围岩系统稳定和围岩灾变具有决定性意义[5]。

考虑工作面设备对底板造成附加力情况下安全系数F，当F>1时，底板虽然塑性破坏并且存在裂隙，但是底板楔形破坏抗滑力大于底板楔形破坏下滑力，破坏楔形体不产生下滑。当F<1时，底板楔形破坏抗滑力小于底板楔形破坏下滑力，底板岩层由于塑性破坏，岩体内部在应力作用下会导致节理裂隙进一步扩展，最后贯通破坏。岩体破坏后产生滑移块体(该块体可看成楔形体)，楔形体脱离底板产生运动，这种运动由于重力与煤层倾角共同作用存在显著下滑特点，由于底板破坏楔形滑移体与母岩之间约束较小，且运动空间大，因此会出现楔形滑移块体大范围下滑，最后会出现“连续破坏现象”，在这种底板破坏状态下，更容易造成支架失稳。

3 倾向正压状态下 “底板-支架”系统失稳

分析倾向正压状态下底板破坏滑移对支架影响要在底板滑移基础上进行，通过对底板破坏安全系数F分析可知，以下分析均在安全系数F<1情况下进行。

根据大倾角工作面相关研究结果[5]，工作面支架与围岩相互作用会使支架产生三种方式失稳：①倾向滑移失稳；②顺向倾倒失稳；③逆向倾倒失稳。而本文研究支架受到倾斜方向顶板正压作用，同时受到底板破坏滑移影响，导致产生支架滑移失稳和支架顺向倾倒两种失稳方式。

3.1 支架倾向滑移失稳

3.3.1 顶板与支架作用分析

假设顶板砌体结构受到理想约束，使用质点系(刚体)动能定理进行顶板运动特征描述。根据碰撞冲量作用下动力学方程[9]，见式(5)。

(5)

因为支架和该结构作用是非完全塑性。碰撞之后一部分能量使得结构发生了塑性形变，这种情况可用恢复因数e描述，由于岩性不同，确定恢复系数e为0.3～0.5，则恢复阶段碰撞冲量(法向冲量)见式(6)。

(6)

式中：hx为正压砌体结构与支架的高度；m为砌体结构的质量；α煤层倾角。

(7)

(8)

式中，Fy为结构对支架瞬时间Δt正压力近似均值。

砌体结构对支架切向反作用可以通过瞬间滑动摩擦定律解释，见式(9)。

(9)

式中：Fx为结构对支架瞬间切向作用力；μ为顶板岩层与支架之间的静摩擦因数[3],一般取0.222～0.819；N为法向约束反力。

图3 正压状态下支架倾向滑移失稳

3.1.2 底板与支架作用分析

如图3所示，f2是支架与底板之间摩擦力，μ(为问题简化此处与顶板岩层与支架之间静摩擦因数相同)为静摩擦因数，Wg为顶板的重力，G为支架重力。通过对支架进行受力分析，可得式(10)。

f2=μf′=

(10)

根据以上分析可知，底板安全系数F<1，说明底板受力破坏并有产生滑移。在底板与支架一直保持静摩擦力f2情况下，支架与底板始终随着底板与支架一起滑移，此时支架与顶板支架之间受力是支架滑移关键。当Fx大于抗滑力f1与底板破坏滑移同时作用时，工作面支架会沿着倾向产生支架倾向滑移失稳。

3.2 支架顺向倾倒失稳

如图4所示，点B、C、D、E分别是支架、底板楔形滑移体前后、及顶板结构质点。在支架滑移情况中，已经对支架与顶底板之间进行了受力分析。

由于底板破坏滑移由质点C运动到质点D，在底板与支架一直保持静摩擦力f2情况下，支架随着底板一起滑移。此时，若Fx小于抗滑力f1，并且与底板破坏滑移同时作用时，支架会以A点为基点，产生顺向倾倒失稳。

图4 支架顺向倾倒失稳

4 数值模拟

结合上述分析结果，可以看出煤层倾角α也是影响底板破坏重要因素，以某矿3232(3)工作面工程为例，采用有限差分程序FLAC3D对底板破坏煤层倾角进行单因素分析。

4.1 计算模型

根据现场工程条件，应用有限差分程序FLAC3D，工程地质计算模型如图5所示。

图5 计算模型

4.2 模拟结果单因素分析

1)在图6～8中，工作面长度都为110m，煤层倾角分别为40°、50°、60°，其最大水平应力分别为1.84MPa，2.12MPa，2.4MPa，随着煤层倾角增加，工作面底板都会出现较大的应力集中，且以剪应力破坏为主。这种应力集中主要集中在工作面底板中、上部，并且随着煤层倾角增加，应力集中导致破坏范围不断扩大，进而底板破坏越严重。

2)在图6中，煤层倾角为40°垂直应力在底板处最大值约为8.3MPa，应力集中在工作面底板中上部区域内，并有向中下部扩大的趋势。在图7中，由于工作面底板倾角增加，底板应力集中范围继续向工作面中部扩大。图8中煤层倾角为60°情况，更为严重，底板应力集中破坏情况，继续向底板深处，以及工作面中下部扩大，但是其主要应力集部分还是在工作面中上部。