基于“缺陷性”特厚软煤冲击机理研究

崔 鹏 徐勇勇 梁新民

(北京科技大学土木与环境工程学院)

基于“缺陷性”特厚软煤冲击机理研究

崔 鹏 徐勇勇 梁新民

(北京科技大学土木与环境工程学院)

对于煤体结构不均匀分布突变的特厚软煤，矸石(硬煤)极容易引起的应力集中而发生冲击。为明确这类“缺陷性”冲击发生机理，基于冲击原因、结构承载体的形成过程和应力集聚过程分析，建立了矸石-软煤结构冲击模型；基于莫尔-库仑理论研究,得到了结构模型的破坏失稳判据，对完善特厚煤层冲击地压理论具有指导意义。

特厚软煤 “缺陷性”冲击机理 剪切破坏 力学条件

软煤强度低、孔隙度大、胶结性差[1],所以在开采软煤矿体时，由于工作面前方煤体遭到破坏，支承压力向深部转移，压力峰值离工作面距离较远、范围较硬煤大，一般情况下冲击可能性较小。但是当软煤具有“缺陷性”：工作面前方出现矸石或硬煤时，煤体内应力状态因为岩性的突变会发生相应变化，支承压力峰值前移，与工作面距离缩短，冲击可能性增大。这种矿山压力显现特征导致的采动灾害事故隐蔽性高，从事人员不重视软煤开采的冲击地压防范治理，缺少对软煤冲击机理的认识和探究，易造成较为严重的危害。本文通过分析特厚软煤层的结构承载体的破坏，研究其相关冲击机理，对特厚软煤体的防冲开采具有指导作用。

1 “缺陷性”冲击

1.1 冲击现象

通过对已发生软煤冲击矿山的研究，表明发生冲击地压的煤岩体一般属于软硬相间的不均质软岩体，且硬性岩体分布较多，发生冲击的可能性大[2]。特厚软煤开采工程中，在有矸石(硬煤)内部结构突变的地方强度变大、弹性变强，阻止了应力向深处转移并且集聚弹性势能，当承受应力值大于结构体承载强度或正常推进破坏结构时发生矿压冲击。特厚软煤具有集聚能量能力小、冲击地压隐蔽性高的特点，因此，在特厚软煤开采中需要特别注意由于内部结构突变诱发的“缺陷性”地压冲击。

1.2 原因分析

(1)内部结构突变。煤炭沉积的时间长且环境条件复杂，导致特厚软煤形成过程中出现不规则矸石或硬煤等特殊体，支承压力峰值的移动主要取决于煤体强度[3]。软煤强度低、孔隙度大，在特厚软煤开采过程中，工作面前方一定范围的煤体强度遭到破坏，支撑压力峰值向煤体内部转移，一般为15～25 m，支承压力范围为40～50 m；煤体内部的突变矸石(硬煤)或者断层导致峰值移动暂停，为“缺陷性”冲击地压的发生创造了基础条件。

(2)地质构造切割煤岩造成地应力发生变化。通常在褶曲两翼显示应力增大，而在褶曲中部应力降低；断层构造对自重应力的分布也有影响，在切割移动过程中使得煤层及周围岩体破碎且强度减小，上盘对下盘也产生加载作用；正常开采时应力峰值累计叠加，容易导致煤岩整体失稳。

(3)开采应力集中。煤体开采过程中，采场上方原岩应力向四周转移，在工作面前方一定距离产生超前支承压力，达到新的平衡状态后，回采过程中支承压力峰值随着工作面的推进向深处移动。因此，开采应力集中是引起结构承载体破坏的主要原因，也是“缺陷性”冲击地压发生的直接原因。

2 “缺陷性”冲击机理研究

2.1 承载结构的应力集聚过程分析

承载结构的形成和岩性突变有直接关系。特厚软煤中矸石(硬煤)强度大，临近工作面时支承应力不能正常向深处转移，压力峰值距工作面位置变小；在集聚的过程中随着支承压力的升高，软煤受到矸石(硬煤)的挤压，密实后再通过蠕变造成裂隙发育、扩展，在一定时间内强度不但没有下降反而有所升高，岩性突变位置形成临时关键支撑结构，集聚弹性势能；能量积聚过程中，矸石边缘处软煤产生横向拉应力和一定方向的剪应力，由压缩产生的横向拉应力通过蠕变、裂隙的发育进行释放或缓解，当受力超过结构某处抗剪强度时煤体整体失稳发生冲击，如图1所示。图1(a)为软煤中没矸石时支承压力的分布情况，图1(b)是工作面煤体中有矸石或硬煤的情况。当矸石位置错开时，上方矸石起到临时悬顶作用，下方部分软煤发生破碎支承压力向深处矸石(硬煤)转移；下方矸石承受转移应力后，拉应力得不到充分释放发生破碎。

图1 特厚软煤中有矸石、没矸石的支承压力分布示意

“缺陷性”冲击地压的实质是承载结构充当受力介质，破坏过程表现为：工作面前方软岩的垂直压缩—裂隙发育、扩展—承载结构稳定阶段—结构剪切失稳发生冲击；承载体易于储蓄变性能，破坏形式表现为弹性变形阶段后的膨胀剪切破坏冲击。根据软煤和矸石(硬煤)的力学性质[6]，在结构体承受足够的支承压力后，软煤裂隙贯通增生速度急剧加快，发生剪切破坏引起整体结构失稳。设矸石(硬煤)和软煤组成的临时结构体受到的承载力为F，抗剪切强度为σt， 则“缺陷性”冲击地压机理可描述为：

F>σt.

(1)

2.2 矸石-软煤结构模型

承载结构体分为矸石(硬煤)和矸石边缘处的软煤两部分。对于软煤工作面而言，在煤体自重及超前支承压力的作用下，工作面前方煤体内会产生横向拉应力和一定方向的剪应力，由压缩产生的横向拉应力通过蠕变、裂隙发育进行释放或缓解，当工作面前方承载结构体内的剪应力大于抗剪强度时发生剪切滑动破坏。实际上大部分剪切滑动面为曲面，考虑到工作面前端有一定体积的矸石，发生剪切时工作面破坏程度较大，且剪切不大于煤层厚度，为方便计算，将其简化为平面(见图2)。

图2 结构剪切破坏模型

2.3 结构失稳的力学条件

如图3，工作面前方受到超前支承压力q，假设软煤体中存在一定尺寸的矸石(硬煤)且具有相应的承载能力，当工作面临近矸石时，应力转移受阻，支承压力峰值增大，直到应力值超过软煤的抗剪强度，发生剪切破坏。

图3 结构剪切破坏力学分析

根据莫尔-库仑强度理论，破坏准则可表述为沿着剪切面，软煤的抗剪力σt减去该面上的滑动力F，若该值小于0，则煤壁发生剪切破坏，其中N、F是由超前支承压力和破坏体自重两部分组成。安全余量n为

n=σt-F=cHsecβ+Ntanφ-F<0 ,

(2)

式中，c为软煤黏聚力；φ为软煤内摩擦角；N为剪切面上的法向力；H为剪切面破坏高度；β为剪切面与煤壁的夹角。

2.3.1 工作面支承压力估算

工作面超前支承压力q由自重应力σ和应力增量Δσ两部分组成。近水平煤层回采时，随着工作面的推进，上方岩石应力状态发生变化，在岩重作用下先发生离层然后跨落，采场后方的跨落岩石以自由安息角的形式堆积，采场前方和侧壁离层角度由岩层移动控制，如图4(a)；采场上方的直接顶由支架支撑，直接顶上方岩重通过岩层移动角向两侧煤壁和工作面转移，等分传递到三方岩煤体，且呈等

腰三角形分布,工作面上方岩重和传递应力组成支承压力q，如图4(b)所示。

图4 工作面支承压力计算模型

估算工作面支承压力：

(3)

式中，γ为岩石容重，25 kN/m3;α为岩层移动角；Y为直接顶顶板到地表的高度；σmax为采场上方岩重传递到工作面的最大应力。

由上面分析过程可得出：

(4)

2.3.2 失稳结构破坏体自重估算

回采过程中，超前支承压力集中作用在软煤中的矸石，致使边缘软煤产生高剪切应力发生破坏，不同条件下采放比和放煤步距不一样，本文采用两刀一放的放煤方式，放煤步距为1.6m，采放比0.4，利用破坏模型图3对破坏体自重进行估算：

(5)

式中，γ0为软煤容重；其他符号意义同前。

2.3.3 结构失稳判据

由式(3)可知，宽为l 的矸石(硬煤)上方支承压力和为：

(6)

(7)

式中，l为矸石水平投影长度。

将式(6)代入式(2),得到工作面剪切破坏判据为：

(8)

由此可以知道，软煤工作面是否发生剪切破坏主要在于支承压力，与软煤中矸石煤体性质有关；一定体积的矸石为边缘软煤的破坏提供了力学条件。矸石尺寸过小时，不能为剪切破坏提供足够的支承压力；矸石尺寸过大时，阻止了剪切面移动，支承压力成为破坏工作面的主要应力，当所受压力大于矸石强度某一系数时，矸石受压缩破坏发生冲击。

3 结 论

(1)特厚软煤发生“缺陷性”冲击的主要原因是矸石(硬煤)引起的应力集中，开采应力集中是结构承载体破坏的直接原因。

(2)利用莫尔-库仑理论，在超前支承压力及煤体自重的作用下，通过分析软煤的破坏形式，建立了矸石-软煤破坏模型，并提出了相应失稳判据。

[1] 王永岩.软岩巷道变形与压力分析控制及预测[D].阜新:辽宁工程技术大学,2001.

[2] 杜长胜,陈方山,张春龙.极软特厚煤层放顶煤矿压显现规律[J]. 矿山压力与顶板管理, 2001(1):34-35.

[3] 钱鸣高,石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2010.

[4] 蔡美峰,何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社,2011.

[5] 王富林.松软煤层采场前方支承压力分布特征及围岩控制研究[D].焦作：河南理工大学,2012.

[6] 王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理[J].煤炭学报,2007，32(8):786-788.

Research on the Impact Mechanism of the "Defective" Thick and Soft Coal

Cui Peng Xu Yongyong Liang Xinmin

(School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing)

For the structure mutation thick and soft coal, coal gangue (coal tone) is very easy to cause stress concentration and impact. In order to clarify this kind of "defective" impact mechanism, based on analyzing the impact reason, formation process of structure bearing body and stress concentration process, the wast rock-soft coal structural impact model is established. Based on Mohr-Coulomb theory, the failure criterion of instability of the model is obtained, it has a guiding significance to the perfecting the theory of percussive ground pressure.

Thick and soft coal, "Defective" impact mechanism, Shear failure, Mechanical condition

2015-04-24)

崔 鹏(1990—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。